21 Déc 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. »

(l-r) Prof. Daniel Wagner and Dr. Israel Greenfeld

« À cet égard, la durabilité est essentielle », explique le Dr Israel Greenfeld, coauteur de l’étude. «Les organismes vivants, par exemple, déploient toute une série de stratégies spécialisées pour faire face aux forces extérieures tout en dépensant le moins d’énergie possible.     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 ».

Les matériaux améliorés et efficaces offrent une voie importante vers un avenir plus durable, car ils peuvent conduire à une réduction des déchets et à une diminution des besoins en carburant. Mais toute tentative d’amélioration d’une propriété avantageuse d’un matériau tend à se faire 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 le Dr. 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 souplesse.

L’enveloppe extérieure (cuticule) d’un scorpion, vue au microscope électronique (le degré d’agrandissement augmente de gauche à droite). Le changement progressif de l’épaisseur et de la flexibilité des couches renforce la résistance de la carapace aux fissures, tout en économisant la quantité de matériau – une caractéristique qui alimente les idées de conception durable.

Dans cette nouvelle étude, le Prof. Wagner et le Dr. Greenfeld ont examiné deux stratifiés naturels qui présentent un degré exceptionnel de résistance : 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 commencés à Weizmann par le Dr Israel Kellersztein, un ancien étudiant de l’équipe du Prof.  Wagner – a montré que la carapace complexe de l’organisme est un composite construit à partir de huit niveaux structurels différents.

Chez le scorpion et l’éponge, un « remaniement » ou réarrangement subtil mais puissant des couches stratifiées s’est avéré servir de compromis biologique entre des propriétés contradictoires, les aidant 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 cap 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 gradation 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 cassent. 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. « Grâce à 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.

Les structures en couches de deux espèces biologiques : la coquille extérieure, ou cuticule, d’un scorpion et le squelette intérieur, ou spicule, d’une éponge de mer.

Le Dr.Greenfeld et le Prof. Wagner soulignent qu’il est très difficile d’importer des concepts tels que la gradation dans des conceptions fabriquées par l’homme. « Pour l’homme, ce type de conception est innovant », explique  le Dr. 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.

Cependant, 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 variation d’épaisseur, les fissures sont ralenties ou arrêtées par le fait que des couches cassantes 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 stratifiés spécialisés renforcés de fibres utilisés dans l’industrie aérospatiale.

La Science en Chiffres

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.