Une avancée technologique fascinante évoque l’univers des super-héros, permettant de projeter un matériau liquide qui durcit dans l’air pour créer des fibres adhésives. Cette innovation promet de révolutionner divers domaines, du développement durable à la médecine, tout en puisant son inspiration dans la nature et la culture populaire.
Des chercheurs américains ont développé une technologie leur permettant de projeter un matériau liquide qui se solidifie dans l’air pour former des fibres adhésives, semblables aux toiles du super-héros célèbre.
Inspiré par le célèbre super-héros
Le flux de soie liquide se transforme rapidement en une fibre résistante qui adhère et soulève des objets (pas d’inquiétude, cela ne piège pas encore les méchants).
Toute personne ayant lu une bande dessinée ou regardé un film du super-héros a déjà imaginé la sensation de tirer une toile depuis son poignet, de survoler les rues et d’arrêter les malfaiteurs. Les chercheurs de l’Université de Tufts, aux États-Unis, ont pris ces scènes imaginaires au sérieux et élaboré la première technologie capable de projeter de la soie, un matériau fluide pouvant être émis par une aiguille, se solidifiant instantanément pour former un fil capable de soulever des objets.
Technologie basée sur la soie
Ces fibres adhésives, conçues au Silk Lab de l’Université de Tufts, proviennent de cocons de vers à soie, qui sont bouillis dans une solution pour décomposer leurs protéines fondamentalement appelées fibroïne. La solution de fibroïne de soie peut être extrudée à travers de fines aiguilles pour former un filament qui, avec les bons additifs, se solidifie en une fibre lorsqu’elle est exposée à l’air.
La nature est la source d’inspiration originale pour l’utilisation de fibres de soie dans la fabrication de fils, toiles et cocons. Des araignées, fourmis, guêpes, abeilles, papillons, mites, scarabées et même des mouches peuvent produire de la soie à un certain moment de leur cycle de vie.
Cette inspiration naturelle a conduit l’équipe du Silk Lab à innover en utilisant la fibroïne de soie pour créer des colles puissantes agissant sous l’eau, des capteurs imprimables pouvant être appliqués sur pratiquement toutes les surfaces, des revêtements comestibles prolongeant la durée de vie des aliments, des matériaux améliorant l’efficacité des panneaux solaires et des méthodes plus durables pour la fabrication de microcircuits.
Malgré ces avancées, les chercheurs n’avaient pas encore réussi à reproduire la capacité des araignées à contrôler la rigidité, l’élasticité et les propriétés adhésives de leurs fils.
Une découverte fortuite
Une découverte fortuite a conduit à un avancement significatif.
Je travaillais sur un projet visant à créer des adhésifs extrêmement puissants à partir de fibroïne de soie et, en nettoyant mon matériel en verre avec de l’acétone, j’ai remarqué qu’un matériau ressemblant à une toile d’araignée se formait au fond du verre.
A déclaré Marco Lo Presti, professeur assistant de recherche à l’Université de Tufts.
Cette découverte inattendue a surmonté divers défis liés à la reproduction des fils d’araignée. Les solutions de fibroïne de soie peuvent former un hydrogel semi-solide pendant plusieurs heures lorsqu’elles sont exposées à des solvants organiques comme l’éthanol ou l’acétone. Cependant, la présence de dopamine, utilisée dans la fabrication d’adhésifs, a permis à ce processus de solidification d’avoir lieu presque instantanément.
En mélangeant rapidement la solution avec le solvant organique, la solution de soie a produit des fibres présentant une résistance à la traction exceptionnelle et une adhésivité accrue. La dopamine et ses polymères utilisent une chimie similaire à celle exploitée par les balanes pour former des fibres qui adhèrent fortement aux surfaces.
Créer des fibres solides, adhésives et respectueuses de l’environnement
La prochaine étape a été de centrifuger ces fibres dans l’air. Les chercheurs ont ajouté de la dopamine à la solution de fibroïne de soie, ce qui a semblé accélérer la transition liquide-solide, en éliminant l’eau de la soie. Le tir de ce mélange à travers une aiguille coaxiale génère un fil fin de solution de soie entouré d’une couche d’acétone, ce qui déclenche la solidification.
L’acétone s’évapore dans l’air, laissant une fibre adhérer à tout objet qu’elle touche. Les chercheurs ont amélioré la solution de fibroïne de soie avec du chitosane, un dérivé des exosquelettes d’insectes, ce qui a augmenté la résistance à la traction des fibres jusqu’à 200 fois. Ils ont également utilisé un tampon de borate, augmentant l’adhésion jusqu’à 18 fois.
Le diamètre des fibres peut varier entre l’épaisseur d’un cheveu humain et environ un demi-millimètre, selon le diamètre de l’aiguille utilisée.
Le dispositif développé peut projeter des fibres capables de soulever des objets jusqu’à 80 fois leur propre poids dans diverses conditions. Les chercheurs ont démontré cette capacité en soulevant un cocon, un boulon en acier, un tube de laboratoire flottant dans l’eau, un bistouri partiellement enfoncé dans le sable et un bloc de bois à une distance d’environ 12 centimètres.
Lo Presti a souligné qu’à la différence des araignées, qui ne projettent pas leurs toiles mais les tirent manuellement de leurs glandes, ce dispositif permet de lancer une fibre depuis un appareil, de l’attacher à un objet et de le soulever à distance.
Au lieu de présenter ce travail comme un matériau inspiré par la biologie, il est réellement un matériau inspiré par les super-héros.
A affirmé le chercheur.
Avenir de la technologie de la soie
La soie d’araignée naturelle est encore environ 1000 fois plus forte que les fibres artificielles de cette étude. Cependant, avec un peu d’imagination et des avancées en ingénierie, cette innovation a le potentiel d’améliorer et de proposer une gamme d’applications technologiques, notamment dans le domaine de la durabilité.
Les futures applications potentielles pourraient aller de la robotique, où ces fibres pourraient être intégrées dans des mécanismes de manipulation d’objets, à la médecine, où leurs propriétés biocompatibles pourraient être utilisées pour créer des sutures ou des tissus artificiels. De plus, compte tenu de l’origine naturelle de la fibroïne et de sa biodégradabilité, ce développement s’inscrit parfaitement dans les principes de durabilité et d’économie circulaire, essentiels pour réduire l’impact environnemental des nouveaux matériaux technologiques.
Nous pouvons nous inspirer de la nature, des bandes dessinées et de la science-fiction. Dans ce cas, nous voulions inverser l’ingénierie de notre matériau en soie pour qu’il se comporte comme la nature l’a conçu à l’origine et comme les auteurs de bandes dessinées l’ont imaginé.
A déclaré le professeur Fiorenzo Omenetto, directeur du Silklab de Tufts. La recréation de cette technologie inspirée par le célèbre super-héros ouvre la voie à de nombreuses possibilités dans divers secteurs, allant de la fabrication durable à la médecine. La polyvalence et l’approche écologique des matériaux à base de soie positionnent cette découverte comme une solution potentielle face aux défis technologiques et environnementaux de demain.