Incassable : les scorpions et les éponges inspirent la conception durable
Une étude de l'Institut Weizmann sur les organismes super résistants révèle des stratégies pour créer des matériaux artificiels plus durables et plus résistants
L'homme n'est pas le seul à rechercher des matériaux plus durables. La nature, elle aussi, "travaille" sur le problème de la durabilité, et ce depuis bien plus longtemps. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Institut Weizmann des sciences montrent comment les astuces de conception employées par des créatures anciennes telles que les scorpions et les éponges peuvent contribuer à optimiser la résilience des matériaux fabriqués par l'homme et, en fin de compte, à faire progresser la conception durable.
"Dans le monde naturel, les matériaux ont évolué pendant des millions d'années, dans des environnements souvent définis par des ressources limitées et des conditions difficiles", explique le professeur Daniel Wagner, du département de chimie moléculaire et de science des matériaux de l'Institut Weizmann, qui étudie les aspects mécaniques des matériaux naturels depuis plusieurs décennies. "Notre point de départ était l'intuition que les structures biologiques qui nous entourent - les arbres, les plantes, les os, les squelettes de divers organismes - se sont développées d'une manière qui est, par définition, durable.
"À cet égard, la durabilité est essentielle", explique le Dr Israel Greenfeld, coauteur de l'étude. "C'est pourquoi il y a tant à apprendre de la nature, alors que nous essayons de développer nos propres matériaux plus résistants et plus durables."
"L'augmentation de la résistance d'un matériau s'accompagne souvent d'un compromis au niveau de la flexibilité. Mais la nature a mis au point des structures qui permettent d'obtenir les deux sans compromis"
Des matériaux améliorés et efficaces constituent une voie importante vers un avenir plus durable, car ils peuvent conduire à une réduction des déchets et des besoins en carburant. Mais toute tentative d'amélioration d'une propriété avantageuse d'un matériau se fait généralement au détriment d'un autre de ses attributs. L'augmentation de la résistance, par exemple, entraîne généralement une augmentation du poids ou une diminution de la flexibilité.
"Il s'avère que la nature trouve des moyens étonnants d'optimiser l'équilibre", explique M. Greenfeld. L'une des caractéristiques d'optimisation que l'on retrouve dans une variété de substances organiques résistantes est la construction stratifiée : des matériaux composés de différentes substances superposées ou entrelacées. Ce type de matériau composite présente souvent une résistance et une résilience, tout en conservant d'autres propriétés bénéfiques, telles que la légèreté et la flexibilité.
Dans leur nouvelle étude, Wagner et Greenfeld ont examiné deux stratifiés naturels qui présentent un degré exceptionnel de solidité : la coquille extérieure, ou cuticule, d'un scorpion et le squelette intérieur, ou spicule, d'une éponge de mer. Les chercheurs ont découvert que le secret de leur résistance réside dans la gradation, une stratégie spécialisée que l'on trouve rarement dans les matériaux fabriqués par l'homme : un changement progressif des propriétés d'une couche à l'autre.
Chez les deux créatures, les différentes couches varient en épaisseur et, dans la carapace du scorpion, elles diminuent également en rigidité de l'extérieur vers l'intérieur, de sorte que la surface qui fait face au monde hostile dans lequel vit le scorpion a une plus grande résilience que l'intérieur de sa carapace. En fait, l'étude du scorpion par les chercheurs - qui s'est appuyée sur les travaux entamés à Weizmann par le Dr Israel Kellersztein, ancien étudiant de l'équipe de Wagner - a montré que la carapace complexe de l'organisme est un composite construit à partir de huit niveaux structurels différents.
Chez le scorpion comme chez l'éponge, un subtil mais puissant "remaniement" ou réarrangement des couches stratifiées sert de compromis biologique entre des propriétés contradictoires, ce qui les aide à résister aux types de stress auxquels ils sont généralement confrontés.
Déchiffrer le code
Grâce à la gradation, la carapace du scorpion et le squelette de l'éponge, tout en étant solides et résistants, résistent particulièrement bien aux fissures. Même s'ils diffèrent en termes de composition chimique et de structure, tous deux optimisent cette résistance en utilisant le même principe : la déviation des fractures. Cela signifie que dans les deux organismes, les fissures sont atténuées en détournant leur trajectoire. Dès qu'une fissure commence à apparaître dans le matériau, elle est "encouragée" par la structure graduée du matériau à changer de trajectoire et à s'étendre parallèlement à la surface, plutôt que de s'enfoncer plus profondément, où elle causerait probablement des dommages structurels plus importants, pouvant conduire à un effondrement catastrophique.
Pour mieux comprendre le fonctionnement de la granulométrie dans les deux organismes, les chercheurs ont adapté un modèle issu de la mécanique classique des fractures, le domaine qui traite de la manière dont les choses se brisent. Le modèle a montré qu'en l'absence de gradation, l'obtention de la même résilience chez le scorpion et l'éponge aurait nécessité des mesures plus coûteuses, telles que des composants plus épais. Il a également montré que la résilience est améliorée en déplaçant davantage de matériaux vers les régions structurelles les plus critiques en termes de durabilité.
Les chercheurs ne se sont pas arrêtés là. Ils ont montré comment, dans les matériaux bioinspirés, la gradation pouvait être utilisée d'une manière que la nature n'avait pas encore imaginée. "En utilisant ce modèle, nous avons pu modifier les niveaux de classification d'une manière à laquelle le scorpion et l'éponge n'avaient pas encore pensé", explique M. Greenfeld.
Greenfeld et Wagner soulignent qu'il est très difficile d'importer des concepts tels que le classement dans des créations humaines. "Pour l'homme, ce type de conception est innovant", explique M. Greenfeld. "Les structures biologiques sont créées de bas en haut - à partir de minuscules blocs de construction nanométriques, de structures microscopiques, puis de structures de plus en plus grandes - alors qu'en ingénierie, on ne commence généralement pas au niveau moléculaire.
Si la structure du scorpion est particulièrement complexe, d'autres microstructures naturelles, comme celle de l'éponge de mer, peuvent être plus facilement appliquées à l'ingénierie. Dans le squelette de l'éponge, par exemple, outre la gradation, les fissures sont ralenties ou arrêtées par le fait que des couches fragiles sont intercalées avec d'infimes quantités de couches plus molles. "Il s'agit d'une céramique, essentiellement composée de silice, qui n'est pas le type de matériau dont on s'attend habituellement à ce qu'il présente une forte résistance à la rupture", explique M. Wagner.
Les chercheurs expliquent qu'une meilleure compréhension des stratégies utilisées dans les matériaux composites naturels pourrait aider les ingénieurs à optimiser les composites fabriqués par l'homme, une vaste famille de matériaux qui va du ciment omniprésent aux laminés spécialisés renforcés de fibres utilisés dans l'industrie aérospatiale.
Chiffres de la science
La cuticule du scorpion est fine comme un cheveu - environ 0,1 mm d'épaisseur - et comprend une vingtaine de couches composées de nombreux bouligands imbriqués les uns dans les autres. Un bouligand est une structure hélicoïdale torsadée composée d'une centaine de nanocouches de 50 nanomètres d'épaisseur chacune. Une seule nanocouche est constituée de fibrilles de chitine et de protéines de 5 nanomètres d'épaisseur, rassemblées en fibres.
Pas de copie, exactement
Wagner et Greenfeld, qui travaillent ensemble depuis plus de dix ans, viennent d'horizons professionnels différents. Wagner mène depuis longtemps des recherches fondamentales sur la micromécanique des matériaux composites biologiques et des nanomatériaux fabriqués par l'homme, tels que les nanotubes de carbone et le graphène. Greenfeld, quant à lui, a fait carrière dans l'ingénierie aéronautique, un domaine où l'efficacité est essentielle. Il s'inspire également de différents domaines d'utilisation des matériaux, de la conception structurelle à l'ingénierie des systèmes et à l'invention. "Venant du monde de la création pratique, M. Greenfeld apporte une perspective différente à notre laboratoire, et nous bénéficions tous deux de cette collaboration", explique M. Wagner.
"Notre travail ne consiste pas à copier, exactement", ajoute-t-il. "Il s'agit plutôt de s'inspirer des conceptions de la nature.
"La manière d'utiliser cette inspiration dépend, bien sûr, des objectifs de chacun en matière d'ingénierie, mais il s'agit aussi d'élargir les horizons de ce que l'on peut faire avec l'ingénierie", ajoute M. Greenfeld.
Résume Wagner : "Je définirais la durabilité comme la capacité à répondre aux besoins du présent sans nuire à la capacité des générations futures à répondre à leurs propres besoins. C'est dans cette optique que nous considérons l'importance de la durabilité mécanique - améliorer la résistance à l'usure ou la flexibilité - et cela conduit à de meilleurs résultats à long terme, que l'on essaie d'être plus économe en carburant ou en quantités de matières premières nécessaires au départ."
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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