Les bactéries comme forgerons
Nouvelle méthode d'assemblage de matériaux non conventionnels
Un bain chaud est un lieu de détente. Pour les scientifiques, c'est aussi l'endroit où les molécules ou les minuscules éléments de construction se rencontrent pour former des matériaux. Des chercheurs de l'Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA) vont plus loin et utilisent l'énergie des bactéries qui nagent pour forger des matériaux. Une étude récente parue dans Nature Physics montre comment cela fonctionne et quels sont les avantages potentiels de cette approche innovante en matière de développement durable.
On ne sait jamais quand les idées fulgurantes nous frappent. Parfois, elles émergent des endroits les plus inattendus, comme un gymnase à Vienne. C'est ce qui est arrivé à Daniel Grober de l'ISTA, étudiant diplômé dans le groupe de recherche du physicien Jérémie Palacci, qui travaillait sur la manière d'assembler des matériaux en exploitant l'énergie des bactéries qui nagent, et à Mehmet Can Uçar, post-doctorant dans le groupe d'Edouard Hannezo. Alimentées par leur passion commune pour la science et l'escalade, les discussions au gymnase se sont transformées en une maquette au stylo de l'expérience de Grober. Leur concept a séduit Ivan Palaia, postdoc dans le groupe d'Anđela Šarić, qui a décidé de rejoindre le groupe de travail.
Ensemble, ce trio dynamique de l'ISTA s'est lancé dans un effort de collaboration qui atteint aujourd'hui son apogée avec un article publié aujourd'hui dans Nature Physics. L'étude présente une nouvelle stratégie expérimentale pour fabriquer des matériaux à partir de petits blocs de construction. Elle transpose les idées de la métallurgie - l'art raffiné de la forge, où des cycles de température élevée et de refroidissement lent définissent la structure d'un matériau - à des matériaux mous, en utilisant l'activité d'un bain de bactéries en train de nager.
Qu'est-ce qu'un bain actif ?
Pour le groupe de recherche de Jérémie Palacci à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche, il s'agit de particules microscopiques. Notre travail s'articule autour de minuscules éléments de construction de type "Lego" qui sont cent fois plus petits qu'un cheveu. Nous essayons de comprendre comment ces composants s'assemblent et forment des structures plus grandes", explique-t-il. En règle générale, lorsque ces éléments sont suspendus dans l'eau, ils s'agitent sous l'effet de la température, ce qui fournit l'énergie nécessaire pour que les particules sautent de façon aléatoire d'un côté à l'autre. Un phénomène rationalisé pour la première fois par Einstein en 1905 et connu sous le nom de mouvement brownien.
Pour mettre de l'ordre dans ce chaos, il est utile d'ajouter un "agent actif" à l'eau. Il en résulte ce que l'on appelle un "bain actif", où l'agent agit comme un petit feu. En principe, grâce à cette énergie supplémentaire, on peut espérer contrôler l'assemblage et les propriétés des matériaux, à la manière du forgeron. Cependant, jusqu'à présent, l'approche consistant à utiliser des bactéries pour forger n'avait jamais été explorée.
Bactéries - le feu
L'étudiant de Palacci, Daniel Grober, a relevé ce défi et a commencé à construire un bain actif dont les caractéristiques s'inspirent de la métallurgie. Grober explique : "Nous avons utilisé des bactéries E. coli comme agent actif, car leur mouvement de nage fournit de l'énergie et une sorte d'agitation - une "température" pour un physicien, équivalente à 2000 °C, semblable à celle nécessaire pour fabriquer des métaux. Mais comme il est fabriqué par des bactéries et qu'il ne s'agit pas d'un véritable four, il reste suffisamment doux pour être utilisé avec des gels et des matériaux souples sans les brûler". Les éléments constitutifs étaient des particules microscopiques sous forme de colloïdes collants - des billes rondes qui se collent les unes aux autres lorsqu'elles sont en contact. Cette idée s'est avérée fructueuse. Les bactéries nageuses ont en effet amplifié le mouvement des billes, ce qui a entraîné la formation d'agrégats et de structures ressemblant à des gels.
Danser au rythme des bactéries
De plus, l'observation de ces agrégats nouvellement formés a révélé une singularité intrigante. À tout moment, les agrégats tournaient dans le sens des aiguilles d'une montre, mais très lentement. Pour éclaircir cette observation, Grober a procédé à une analyse statistique du mouvement du système. Il a confirmé une rotation lente et persistante des agrégats qui trouve son origine dans la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre (chiralité) des flagelles d'E. coli, ces minuscules appendices qui propulsent les bactéries dans leur mouvement. Le scientifique soupçonnait que le mouvement de rotation jouait un rôle essentiel dans la formation des structures non conventionnelles qu'il observait.
La présentation de ses travaux lors d'une réunion hebdomadaire du laboratoire a intrigué son collègue Ivan Palaia, ce qui a permis de comprendre le phénomène. Palaia a proposé un modèle informatique minimal, afin de capturer la chiralité du bain bactérien sans simuler les bactéries qui nagent. Les simulations informatiques ont d'abord été validées en reproduisant quantitativement les résultats expérimentaux avant de permettre une compréhension plus approfondie du mécanisme. Le modèle a confirmé le rôle important de la rotation dans la formation des gels, en formant des structures remarquables avec des propriétés mécaniques exotiques qui ne peuvent pas être obtenues de manière conventionnelle.
D'autres projets à venir
L'utilisation de bains bactériens pour assembler des matériaux non conventionnels est très prometteuse. Par exemple, bien que l'étude se soit limitée à des structures 2D à l'échelle du micron, l'approche a été conçue pour son potentiel de mise à l'échelle. "Grâce à cette approche innovante, il serait théoriquement possible de construire des échantillons en 3D, suffisamment grands pour tenir dans la paume de ma main ! ajoute Palacci. Cette avancée pourrait également améliorer la durabilité de la production de matériaux en exploitant l'énergie des bactéries plutôt que de dépendre de sources d'énergie externes.
Enfin, l'étude sert de preuve de concept, jetant les bases du projet de Palacci financé par le CER et intitulé "VULCAN : la matière alimentée de l'intérieur", et souligne une fois de plus l'importance de la collaboration interdisciplinaire dans le domaine scientifique, qui est le moteur de l'innovation. "Le projet n'aurait jamais atteint cette profondeur conceptuelle et quantitative sans le travail de collaboration encouragé par l'ISTA", conclut Palacci.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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