Les gekkotas, plus simplement appelés geckos, sont un infra-ordre; cela veut dire qu’il n’existe pas une mais plusieurs espèces similaires à travers le monde. Toutes ces espèces sont identifiables par leurs pupilles statiques et les fameux doigts adhésifs qui leur permettent de grimper sur toutes les surfaces (même le verre pourtant réputé parfaitement lisse). Cette espèce intrigue aujourd’hui les chercheurs car cette capacité des pattes du gecko à adhérer à n’importe quelle surface est unique dans le règne animal, et possède en théorie d’intéressantes exploitations en biomimétique. Comment expliquer et exploiter les capacités adhésives des geckos?
Deux geckos sur des feuilles (le milieu arboricole est l’un de leur plus important lieu de vie)
II Les observations:
1 °/ Observation microscopique:
Le gecko est un lézard pouvant courir la tête en bas sur les murs et les plafonds avec une facilité déconcertante. Cet animal est capable non seulement de se coller aux parois les plus lisses (mêmes humides !), mais aussi de se décoller! Et contrairement aux araignées, par exemple, qui placent l’extrémité de leurs pattes dans des aspérités, le gecko peut grimper même sur le verre, pourtant trop lisse pour des animaux comme l’araignée ou l’homme.
Cette étrange propriété est due aux micro-poils que le gecko possède sous ses pattes. Ces poils, les « setae », se comptent en millions. Ils sont formés de kératine, comme nos poils et cheveux, et ne font que quelques dizaines de microns de diamètre. Ils se divisent eux mêmes en « spatules », encore plus petits que les setae, d’où leur nombre important qui leur permet, grâce à l’exploitation des forces de Van der Walls et à leur nombre, de se fixer au mur.
La patte d’un gecko à différents niveaux d’observations microscopique
2°/ Les forces de Van der Waals:
Il s’agit d’un ensemble d’autres forces capables de lier, dans le cas du gecko, des molécules entre elles, sans qu’il y ait réaction chimique. Cela se fait au contact (leur portée est estimé à 1 nm). Le gecko, de fait, n’est pas lié directement à la surface, comme on le voit ci-dessous: il ne s’agit que d’une liaison magnétique.
Les forces de Van der Waals
Forces de Van der Waals : De nature électrostatique, ces forces attractives sont responsables de liaisons intermoléculaires de faible intensité. Il en existe trois types :
L’effet d’orientation de Keesom. Cet effet intervient entre deux molécules polaires. Ces dipôles s’orientent les uns par rapport aux autres (chacun est placé dans le champ électrique créé par l’autre).
L’effet d’induction de Debye, qui intervient entre une molécule polaire est une molécule non polaire qui se polarise sous l’effet de la molécule polaire.
L’effet de London, qui intervient entre des molécules non polaires. En raison des déplacements incessants des électrons dans une molécule, celle-ci présente à chaque instant un moment dipolaire instantané non nul. Ce mouvement instantané peut polariser les molécules voisines, d’où les interactions même entre molécules non polaire.
Voici la formule de ces forces:
Le résultat avec la patte de gecko est hors du commun: on estime que 50 g peuvent supporter 20 Newtons, soit un peu plus de 2 kg. A l’échelle d’un être humain de 80 kg, ce qui équivaut à 3,2 tonnes. On comprend alors pourquoi un gecko se fixe facilement à ce type de surface. Si on se demande comment il se dégage d’une telle force, la réponse est étonnamment simple: un simple mouvement de rotation sur le côté, et non un mouvement vertical comme on le fait habituellement, par exemple pour la marche.
III L’application industrielle:
Le principe de cette exploitation est d’utiliser simplement les propriétés adhésives de ce matériau. Cela peut être de 2 grandes façon, ludique ou industrielle.
Ludique, car certaines entreprises pensent pouvoir vendre sur le marché des gants adhésifs qui nous permettrait, à la manière de Spider-Man, de nous accrocher sur des murs à l’infini. Cela nous fait aussi poser des questions sur d’éventuels usages militaires, car ça permettrait de réduire le paquetage des hommes, ou encore tout simplement de les rendre plus agiles. On peut imaginer des soldats capables de grimper plusieurs mètres en quelques instants.
L’industrie est bien entendu intéressée. C’est une chose que l’on oublie souvent, mais l’utilisation de matériaux collants est omniprésente dans le domaine. Et un problème rencontré c’est la durabilité, car souvent quand on utilise une colle plusieurs fois alors elle devient inefficace. Ce qui n’est pas le cas des spatules du gecko. Les particuliers aussi pourraient s’en servir en remplacement des rubans d’adhésifs.
Il faut également savoir que l’on ne sait pas produire de façon industrielle, mais que plusieurs équipes on déjà réussit à reproduire les pattes des lézards.
IV Notre conclusion:
La patte de gecko, au même titre que les autres matériaux que l’on étudie, est en état « expérimental ». On sait que ce matériau est capable de changer de nombreux aspects du monde industriel. Aujourd’hui, la seule étape avant l’utilisation industrielle c’est la capacité de la produire en masse. Ce matériau, à cause de sa compétitivité, est difficile à reproduire mais les changements qu’il pourrait apporter sont très importants. On voit qu’ici le biomimétisme a une portée extrêmement large et variée. Ce qui nous fait penser que ce matériel possède un important potentiel, grâce aux multiples champs d’exploitations.
Design de trains classiques de forme cubiqueUn train shinkansen de la station de Tokyo
I/ Pourquoi ce problème des Shinkansen ?:
Les japonais utilisent à l’heure actuelle beaucoup les transports en commun, et parmi les plus utilisés figure le chemin de fer : les « Shinkansen ». Et pour traverser les montagnes bien plus présentes au Japon qu’en Europe, ils ont creusé de nombreux tunnels. Le problème est qu’il n’est pas rare qu’au bout de ces tunnels se trouvent des habitations, qui subissent alors une forte pollution sonore à la sortie de chaque train. De plus les Japonais ont bien constaté que les frottements de l’air dans les tunnels ont tendance à ralentir les Shinkansen, augmentant la consommation de carburant et les coûts d’entretien. Pour la compenser, Les ingénieurs se sont alors demandé comment résoudre ce problème de « bouchon d’air » qui se formaient devant les trains ?
II/ L’origine du problème :
1) Les chemins de fer: une source de pollution
Les trains génèrent comme on l’a dit une forte pollution sonore à la sortie des tunnels, mais pourquoi plus ici qu’en plaine ? C’est en fait le même problème que l’on rencontre dans le Tunnel sous la Manche : la formation de « bouchon d’air » comprimé à l’avant des trains. Les trains génèrent toujours ces bouchons durant leurs déplacements, mais ça ne pose généralement aucun problème. En effet en plaine les trains évacuent naturellement, cet air sur les côtés et les pertes sont minimes de vitesse engendrées sont minimes.
Mais dans les tunnels, à cause des parois, l’air ne pouvant s’évacuer sur les côtés va alors s’accumuler à l’avant. L’air dont la pression et la densité augmente va alors engendrer des frottement, ce sont ces frottements qui ralentissent les trains et qu’on cherche à neutraliser ou au minimum réduire.
2) les Japonais un cas parmi d’autres
Dans le cas du tunnel sous la Manche ce sont des bouches d’aération: les rameaux de communication. Disposés tous les 375 m. ils permettent l’évacuation de l’air dans le tunnel. Mais ces dispositifs sont coûteux et les japonais ne peuvent pas se permettre de bloquer la circulation des trains très utilisés dans leur pays (bien plus qu’en France en tout cas) pour pouvoir effectuer les réparations dans les tunnels indispensable au bon fonctionnement de ces dispositifs. Ils se sont alors penchés sur une autre solution: celle de modifier l’anatomie du train.
III/ Le martin pêcheur
Un martin pêcheur vu de profil
Les ingénieurs et en particulier le japonais Eiji Nakatsu se sont tournés vers un oiseau, le martin-pêcheur, confronté au même défi lorsqu’il plonge dans l’eau pour attraper ses proies : la transition rapide entre deux milieux de densité différentes (pour lui l’air et l’eau), et la nécessité de ne pas trop éclabousser afin de rester discret qui correspond pour le train à l’explosion d’air à la sortie des tunnels.
En imitant la forme de son bec pour répondre à l’augmentation subite de résistance de l’air comprimé des tunnels, ils ont réduit la consommation électrique de 15%, augmenté la vitesse de 10% et procuré un meilleur confort sonore aux voyageurs et aux riverains.
Les derniers Shinkansen, les TGV japonais, sont dorénavant dotés de ce nouveau « nez », dont le but est d’optimiser la pénétration dans l’air lorsque le train traverse des tunnels. Cela évite l’onde de choc ressentie, bruyante et perturbatrice. Car si a l’échelle du bocal la différence entre les différentes ondes produites n’est pas très grande objectivement parlant, le même phénomène se produit au niveau des trains, avec cependant des dizaines de litres d’air minimum brassés à chaque instant.
IV/ Les lois de l’aérodynamique
Si les japonais n’ont pas été confronté à un problème totalement nouveau, ils se sont illustrés par cette approche biomimétique. Ce design nouveau à permis d’améliorer les performances des trains en ce qui concerne la vitesse et la pénétration dans l’air. On a déjà vu que la forme a une influence sur cette capacité de pénétration de l’air, mais des lois de l’aérodynamique précises régissent ce domaine.
On a découvert depuis des années que la résistance de l’air dépend de plusieurs facteurs: la densité de l’air, la forme du corps en mouvement (ici le train)… On peut ainsi la calculer de la façon suivante:
R= A x V²
avec A la constante aérodynamique du véhicule en kg/m, V la vitesse en m/s et R la résistance de l’air en Newton.
On en déduit donc les « règles » suivantes:
– Plus l’objet étudier est rapide et plus l’air résiste à son avancée
– Plus la surface frontale (dont dépend en partie A) est grande et plus la résistance sera augmentée.
On comprend alors pourquoi la résistance de l’air contre ces trains et l’oiseau est plus faible. Ce n’est pas à cause de leur masse, mais à cause leur surface frontale est réduite par cette forme pyramidale caractéristique.
V: Notre conclusion
On a pu constater malgré son l’ancienneté relative (une dizaine d’années) que ce design a montré son efficacité. En alliant les connaissances des lois physiques à une étude physionomique de la nature, les ingénieurs ont pu imaginer ce moyen de répondre à la difficulté que représentait les tunnels. A ce niveau on connait contrairement à d’autres projets la finalité de cette innovation: elle s’est généralisée principalement dans les métros ou les véhicules circulent dans des tunnels. En améliorant la pénétration dans l’air ce nouveau design pas plus coûteux pour autant est devenu un standard dans le domaine du chemin de fer, même s’il l’était déjà dans le domaine automobile par exemple.
Le lotus est une plante chlorophyllienne que l’on trouve principalement dans les régions marécageuses d’Asie, mais aussi dans d’autres régions chaudes de la planète. Cette plante fascine depuis longtemps les hommes, mais depuis quelques années les chercheurs ont découvert les raisons des 2 propriétés les plus intéressantes du Lotus: sa super hydrophobie et sa capacité auto-nettoyante. On pense que la plante a développé ses capacités en raison du milieu marécageux et en même temps pluvieux dans ces régions. Ainsi, afin de se débarrasser des poussières qui s’accumulent au fil des journées, la plante exploiterait la présence de l’eau pour s’autonettoyer et optimiser la photosynthèse (mettre soleil).
En tous cas cette plante a rapidement attiré des ingénieurs et chercheurs à travers le monde, car si on comprend comment reproduire grâce au biomimétisme cette capacité de la plante, on pourrait envisager de réduire certains traitements chimiques, ou envisager des vêtements de meilleure qualité entre autres.
II: Les propriétés du lotus
1) Une anatomie naturellement hydrophobe
D’abord il faut savoir qu’une surface super hydrophobe l’est seulement quand elle repousse l’eau: elle ne doit pas pouvoir être absorbée par ladite surface, ce qui se traduit au niveau moléculaire par une incapacité de cette surface hydrophobe à former des liaisons hydrogènes avec l’eau. Ceci dit, l’épiderme de la feuille de lotus produit une cire qui a des propriétés hydrophobes. Mais cela ne suffit pas pour expliquer cette capacité du lotus qui est bien plus développée que chez d’autres organismes. Elle vient en fait surtout de la forme de sa surface: quand on observe au microscope la surface d’une feuille de lotus, on pourrait la comparer à une peau de requin. La surface de la feuille est recouverte d’aspérités: c’est une surface rugueuse.
La surface d’une feuille de Lotus observé au microscope
2) La loi de Cassie
Cette surface rugueuse permet à la plante de réduire au maximum sa surface de contact avec l’eau. Et on peut également savoir le « degré d’hydrophobie » (et par conséquent l’hydrophilie) grâce à ce qu’on nomme l’angle de contact. Or il y a une loi en physique: la loi de Cassie-Baxter. Cette loi physique explique pourquoi une surface (le substrat pour être exacte) plus grossière augmente cet angle. D’après elle, les gouttes d’eau ne peuvent pas adhérer aux aspérités, du coup elles restent aux sommets de celles-ci, comme si dessous.
Une goutte d’eau sur une surface répondant à la loi de Cassie
Une goutte sur une surface répondant à la loi de Wenzel
Cette loi n’est en revanche utilisable que pour les surfaces suffisamment hydrophobes, dans les cas ou celle ci est réduite une autre loi s’applique: celle de Wenzel. Qui correspond en conséquence à une surface peu hydrophobe.
3) La relation de Young
Cependant pour déterminer l’angle de contact il faut utiliser une autre loi qui concerne les mouillages partiels: la relation de Young. Dans laquelle l’angle de contact θ, dépend de 3 facteurs: les tensions solide-liquide (γsl), celles liquides gazeux (γlv) et solide-vapeur (γsv). Ce qui donne ylv x cos θ = γsv − γlv. Au final on obtient un angle de contact en degrés.
Ensuite il suffit de se référer aux lois physiques, il faut savoir qu’au delà de 90° on parle de surface hydrophobe, et c’est seulement à partir de 150° que l’on peut considérer la surface comme étant « super hydrophobe ». Et le lotus grâce à sa surface rugueuse et sa cire hydrophobe, parvient à créer un angle d’environ 170°. Ce qui veut dire que moins de 1% de la surface de la goutte d’eau est en contact avec la feuille. A ce stade l’eau ne pénètre quasiment plus (voir pas du tout) dans la feuille de lotus.
Attention toutefois: une plante hydrophobe ne repousse pas tous les liquides. Elle ne repousse que l’eau d’ou le fait que ce terme est composé de « Hydro », eau en grec.
4) Une plante autonettoyante
Comme on l’a vu dans le 1, le lotus repousse l’eau au point que celle-ci ne peut plus pénétrer dans la feuille. Les gouttes d’eau vont alors former des petites billes d’eau à la surface. En raison des aspérités l’eau ne peut s’accrocher à la surface de la plante (voir le II, 2). Ces goutte vont alors avoir tendance à rouler littéralement sur la plante à la moindre pente.
Ces gouttes vont alors en passant entraîner avec elles les poussières qui se sont accumulés sur elle. C’est grâce à ce phénomène que la pante est considérée comme autonettoyante.
Des gouttes d’eau en train de laver les poussières sur le Lotus
III: Des propriétés exploitables par l’homme
Plusieurs secteurs industriels s’intéressent de près à ses propriétés. Trois principalement:
L’industrie textile, par exemple, espère pouvoir d’ici quelques années lancer une production industrielle de vêtements super hydrophobes.
Le secteur de la construction dans le domaine de la peinture aussi est intéressé par ces capacités, elle envisage plusieurs applications. Par exemple en créant des peintures hydrophobes, on pourrait voir apparaître des murs auto nettoyants. Ces murs pourraient ainsi évacuer lors des pluies les poussières, polluants… qui s’accumule facilement en ville. D’ailleurs un produit a été mis au point il y a peu, et qui est super hydrophobe. Mais on ne peut encore le retrouver partout sur les murs. Pour 2 grandes raisons, tout d’abord quand il est pulvérisé le produit a tendance à être toxique, et il a tendance à voir ses propriétés se réduire avec le temps.
Et il y a enfin l’industrie navale. Elle est intéressée par la capacité du lotus à chasser l’eau. Car les navires se déplacent en glissant sur l’eau, et si ce glissement pouvait être améliorer sur la coque, on estime que 20% de carburant pourrait être économisé dans le meilleur des cas.
IV: Notre conclusion
On peut constater tout au long de cet article de nombreuses possibilités et avenir de cette feuille de lotus. Elle sert à la fois dans le quotidien avec les vêtements hydrophobes et dans les milieux professionnels dont on n’a cité que quelques exemples. Ses capacités ont en plus au delà des limites du lotus ouvert la voie à l’étude de nouvelles plantes hydrophobes: c’est un secteur en plein développement. Elle offre et a offert aux chercheurs et ingénieurs beaucoup de travail et de champs d’études. Si l’existence du phénomène hydrophobe est connu depuis 2000 ans en Asie (et c’est pour cela que le lotus est symbole de pureté dans la religion bouddhiste), les recherches approfondies sur cette plante permettent une compréhension du phénomène plus avancée.
A ce stade ont peut imaginer que dans quelques années ces recherches seront applicables de façon industrielles. En tout cas ce que l’on ne peut nier c’est que la recherche dans ce domaine contrairement par exemple à l’étude des séismes qui est purement scientifique, les avancées dans les domaines de l’hydrophobies ont déjà des applications quotidiennes rendant l’exploitation des propriétés de la feuille de lotus viable.
Depuis quelques années, les chercheurs ont découvert ce qui était au départ une « anomalie » sur la peau du requin. En effet, malgré la surface de la peau de l’animal qui se révèle au microscope constituée de millions d’écailles de 0,06 millimètres (soit 60 micromètres), donnant un aspect rugueux, le requin se révèle être très hydrodynamique. Or, l’une des règles de l’hydrodynamique comme de l’aérodynamisme était qu’une surface lisse sera toujours plus dynamique qu’une surface rugueuse. Comment expliquer et exploiter ce phénomène ?
II Le phénomène
1) Une anatomie particulière
Les écailles de la peau de requin sont à l’origine de cet hydrodynamique. Elles ont en réalité une forme bien particulière leur conférant cette capacité. Elles sont de formes triangulaires, et sont placées dans l’axe de déplacement de l’animal. Et grâce à des stries formées dans ces écailles, l’eau s’écoule plus facilement le long de l’animal lorsqu’il se déplace, car elles sont placés dans le même sens que l’animal lorsqu’il avance. Cet écoulement améliorer de l’eau permet un écoulement dit « laminaire », qui correspond à un écoulement d’un fluide régulier, sans turbulences. Ces écailles baptisé couramment les denticules en raison de leur structure composé en partie d’émail (la même matière que la couronne dentaire) et semblable structurellement à une dent, produisent un effet physique : l’effet « Riblet ».
2) L’effet « Riblet »
L’effet Riblet du requin est fortement lié à la forme de ces dents. La présence en nombre de ces denticules maintien très près du coups du requin une pellicule d’eau extrêmement fine. L’eau est alors contrainte de passer par des petits sillons creusés dans les denticules, ce qui a pour conséquence de supprimer la plupart des frottements et les turbulences qui font parties des choses limitant le plus la vitesse des requins.
Cela permet au requin de se déplacer bien plus rapidement, jusqu’à 100 km/h pour les plus rapides comme le mako qui atteint les 110 km/h.
3°/ Un bactéricide
III: l’exploitation de cette découverte
1) Une remise en cause des lois physiques
D’un point de vue scientifique : On peut constater remise que l’une des lois fondamentales de l’aérodynamisme, qui stipule qu’une surface lisse sera TOUJOURS plus hydrodynamique ou aérodynamique qu’une surface rugueuse, n’est plus valable.
2) Une inspiration technique pour les chercheurs
2.1) Les avions : Dans ce domaine, on utilise conformément aux lois de la physique des plaques lisses en métal (souvent un alliage d’aluminium avec d’autres métaux pour compléter les propriétés de ce métal). Mais ce procédé présente plusieurs inconvénients, dont des difficultés à l’appliquer sur les surfaces incurvées car il est difficile de tordre du métal sans le casser. L’alourdissement de l’avion est très important, car ces appareils sont composé en très grande partie de métal. Aujourd’hui, plusieurs avions ont été équipés de cette nouvelle surface striée comme les stries présentes sur la peau de requin, en guise de test pour vérifier son efficacité. Mais contrairement à la première tentative à la fin des années 90 une sorte de vernis plus aisément remplaçable est utilisé. Il présente selon les premiers test une durabilité qui faisait défaut aux plaques lourdes et dures à entretenir de 1998.
Anecdote: Airbus avait déjà en 1998 tenté d’exploiter cette surface pour ces avions. Cependant ils avaient abandonné à cause d’un problème de rentabilité. Ils appliquaient cette surface comme un plastique fixé sur l’appareil (l’équivalent d’une nouvelle paroi), ce qui rendait l’appareil bien plus lourd, en plus de devoir complètement la retirer tout les 5 ans. Le projet a donc été abandonné car « trop peu rentable » et « pas assez efficace ».
2.2) Le secteur naval: Cette capacité intéresse au plus haut point les ingénieurs de l’industrie navale. Ils envisagent de recouvrir la coque des navires d’une surface rugueuse calquée sur la peau de requin. Ce nouveau modèle de coque améliorait le glissement des bâtiments sur l’eau. Cela permettrai de réduire la consommation de carburant, ce qui présente donc un intérêt économique. Il faut également savoir que la peau de requin possède des propriétés « anti-fooling » (contre les organismes se fixant sur la coque des bateaux), ce qui aiderait à espacer les périodes de maintenances et à réduire considérablement l’utilisation de certains produits chimiques, qui sont répandus sur la coque afin de favoriser l’écoulement de l’eau par exemple. Et cela à cause des animaux marins qui ont tendances à se fixer sur la coque et à la dégrader sur le long terme.
2.3) L’hydrodynamique en générale : Bien entendu cette découverte a permis d’améliorer les technologies d’hydrodynamisme. Par exemple on a pu observer l’apparition de nouvelles combinaisons de plongées. Qui en raison de leur trop grande efficacité ont du être interdite (de peur de transformer les compétitions en concours technologique).
Les nouvelles combinaisons fastkins
Des utilisations similaires sont envisagées pour les véhicules terrestres selon le même type de raisonnement que pour les avions. Toujours dans le but d’optimiser l’utilisation de carburant pour l’économiser dans un but principalement économiques
IV: En bilan
On constate que les usages de la peau de requin, comme pour d’autres technologie telle que le lotus (dont on parle dans un autre article dédié), possède une quantité d’exploitations possibles. On peut penser que l’application se limite à la nage simple, mais elle a pu atteindre le domaine du transport.
Plusieurs grandes compagnies comme Airbus en Europe s’intéressent à cette technologie qui selon eux « dispose encore d’une large marge de manœuvre ». Ce qu’il faut interpréter dans le sens ou l’efficacité atteinte avec les prototypes n’est pas celle qui sera atteinte lorsque les ingénieurs auront maîtrisé totalement le domaine. Ce qui laisse encore une large marge de développement dans ce domaine.
Quand on sait qu’à l’heure actuelle, la réduction de la consommation de carburant de 1% représente plusieurs millions d’euros pour des firmes internationale ou des centaines d’euros pour des particulier, on peut espérer à l’avenir que cette technologie marquera un nouveau pas dans le développement du transport.
I: Une nouvelle source d’inspiration biomimétique: la soie d’araignée
Les araignées sont de petits animaux issu de la famille des arachnides, qui regroupe aussi les scorpions. Ces animaux sont pourtant les seuls du règne animal à produire cette soie caractéristique. Elle a de nombreuses propriétés connues qui la rendent aujourd’hui très intéressante a étudier. Déjà par le passé des industriels avaient déjà exploités ce matériel. Mais les chercheurs se sont de nouveau penchés depuis quelques années. Car malgré la faible production de cette soie par ces animaux, ils n’en demeure pas moins intéressant d’essayer d’en comprendre les mécanismes, pour une exploitation future. Comment expliquer et exploiter les propriétés de la soie d’araignée ?
Une matoutou guyanaise
(La Matoutou: une araignée de la famille des mygales mais inoffensive que l’on trouve fréquemment en Guyane française. On la reconnaît à une tache jaune au bout de ses pattes)
II: Une arme de survie
Les araignées sont des animaux extrêmement anciens qui n’ont pour certaines espèce qui ont peu évolué par rapport à leurs ancêtres. Ce qui suggère que leurs mécanismes de survie n’ont que très peu évolué depuis des millions d’années pour certaines espèces.
Fossile d’une Megarachne servinei ayant vécu il y a 300 millions d’années
Mais les observations sur le terrain nous ont clairement révélé que les différentes espèces n’utilisent pas la soie de la même manière selon son utilisation qui peut grandement varier: de la fabrication de toiles en spirales comme on les connait dans nos régions au cocon. On observe même chez certaines espèces de mygales vivants en Amazonie des techniques de chasses à l’affût, impliquant l’utilisation de cette soie comme un réseau de détection. Une autre utilisation courante de ces fils est ce qu’on nomme le fil de suspension: quand il désire descendre, l’animal colle un fil à une surface et s’en sert comme d’une corde d’escalade pour contrôler sa chute.
Ces arachnides utilisent ainsi leur soie pour principalement capturer leurs proies, défendre leur progéniture ou défendre leur territoire.
Une toile en spirale
Mais pour que les choses soient claires: c’est bien le même matériaux de base qui est utilisé dans tous les cas. Et c’est ce qui la rend intéressante car pour remplir ces fonctions variées elle doit avoir de nombreuses propriétés.
III: Une constitution spécifique
1) Les observations
Les araignées sont mal vues par la plupart des personnes. Elles sont l’objet de phobies, de dégoût… pourtant elles sont très utiles à l’environnement et plusieurs chercheurs se sont déjà penchés sur l’étude de leur soie. En effet cette dernière possède des propriétés multiples et hors norme.
Les études ont révélé des capacités très difficiles voire impossible à reproduire avec la plupart de nos matériaux courants. Par exemple un fil de quelques microns (106m) serait capable de supporter un gramme, une valeur dure à égaler même pour les métaux. Ainsi un fil pesant seulement 0,11g a pu supporter 180g de matière avant de céder.
Mais là où ce matériaux est surprenant est qu’il est également élastique ! Les études divergent à ce sujet mais on s’accorde à dire qu’au minimum un fil peut s’allonger de 40% (jusqu’à 200% pour les quelques espèces) de sa longueur sans se rompre, ce qui est une résistance à l’élongation inégalée par les métaux. On voit donc ici l’un des atouts de cette soie: sa résistance aux contraintes d’élongations.
En plus de cela la soie se comporte comme un métal à mémoire de forme: elle reprend sa forme initiale si elle n’est soumise à aucune contrainte.
Outre cela elle est plus performante que le métal pour une autre raison: sa masse volumique. Si elle n’est pas la meilleure (le nilon à une mV= 1,24g/cm3), ce matériau est incontestablement léger: 1,30g/cm3, ce qui est plus de 5 fois meilleur que l’acier qui a une masse volumique d’environ 7,9g/cm3.
Ces 2 propriétés, élasticité et légèreté font que l’on peut en théorie du moins porter cette matière comme un vêtement. Cela ouvre des portes à l’industrie textile.
2°/ Zoom sur la composition de la soie
La soie d’araignée est composée de protéines, et des matières grasses et minérales contenues dans son alimentation. Cependant comme on le voit sur ce diagramme ci-dessous il y a une forte prédominance de la fibroïne. Ce qui en conséquence nous permet de dire que les propriétés de la soie sont dues surtout à cette protéine, on va donc l’étudier en premier.
On différencie aujourd’hui 2 sortes de fibroïne : la spidroïne 1 et la spidroïne 2. Celles-ci se différencient principalement par la proline (de formule brute C5H9NO2) et la tyrosine (de formule brute C9H11NO3) qui sont deux acides aminés. La fibroïne (ou comme on l’a vu spidroïne) est une molécule complexe composée majoritairement d’une combinaison de 2 acides aminés spécifiques au fil d’araignée : la glycine (42%) et l’alanine (25%).)
Voici un diagramme qui montre que deux protéines composent essentiellement cette toile:
La séricine (de formule brute C12H25N5O8) n’est pas à l’origine des qualités textiles de la soie ; elle ne lui donne que sa coloration. Elle enveloppe et soude les filaments de fibroïne constituant le fil et ainsi se trouve vers les parties extérieures du brin.
Les propriétés de la soie sont dues à deux régions présentant l’une des séquences riches en acides aminés alanine et l’autre des séquences riches en acides aminés glycine. ces séquences étant répétitives, elles forment une forte cohérence de la structure du fil d’araignée.
La séquence riche en alanine mets en place une structure en accordéon : les feuillets bêta, qui sont une forme secondaire de la protéine.
En effet la séquence riche en alanine forme une structure repliée appelée feuillet bêta. Cette structure aussi appelée la forme secondaire d’une protéine s’apparente à un feuillet de papier en accordéon. Lorsque la protéine se replie, les feuillets bêta se juxtaposent pour produire une protéine densément constituée.
Le feuillet bêta vu de profil
Les feuillets bêta, de plusieurs protéines, sont maintenus entre eux par plusieurs liaisons hydrogènes pour former des cristallites bêta, qui donnent à la soie sa force et sa résistance. Pour sa part, la séquence riche en glycine forme des spirales. Ces spirales ne sont modifiées qu’au moment où la soie est sécrétée ou étirée. Au moment de leur sécrétion, les spirales forment un type d’hélice particulier.
Ce genre de structure en hélice augmente encore la résistance aux efforts mécaniques de la soie d’araignée, elle est appelée hélice 31. Ces hélices confèrent à la soie d’araignée son élasticité qui peut être comparée à un ressort. A titre d’exemple, une toile de deux microns de diamètre peut soutenir un poids de un gramme, une de un ou deux millimètre peut soutenir un poids de 65 kg, et une toile ayant pour diamètre celui d’un pouce pourrait servir pour soutenir un pont suspendu !)
Il existe deux régions qui présentent des séquences répétitives d’acides aminés : une séquence riche en alanine et une séquence riche en glycine. Ces séquences répétitives d’acides aminés donnent lieu à des structures fortement cohérentes qui procurent au fil de soie ses propriétés uniques.
3°/ L’industrie textile
Les capacités de la soie d’araignées ont suscité l’intérêt de nombreux chez chercheurs, qui y voient un matériau du futur. En effet comme dit plus haut il est possible de créer des tissus à partir de cette soie.
A l’heure actuelle l’un des projets les plus importants seraient de renforcer les ceintures de sécurités: en incorporant un ensemble composé de cette soie on pourrait obtenir un double avantages. La soie étant à la fois résistante à l’élongation et à mémoire de forme, la réaction attendue serait que la soie puisse s’allonger pendant quelques instants permettant d’absorber encore mieux le choc en cas d’accident. Puis comme une ceinture ordinaire elle pourrait revenir à sa condition initiale.
Le seul gros obstacle pour « universaliser » cette substance c’est la production. En effet, comme on le voit dans la vidéo ci-dessus, on sait fabriquer des machines de récupération de la soie. Mais c’est loin d’être suffisant pour permettre une rentabilité du système ou la préservation de certaines espèces qui seraient alors les victimes d’un important braconnage pour récupérer leur soie. L’élevage n’est pas non plus viable, car les araignées sont territoriales par nature et chassent même leurs propres congénères en cas d’intrusion. En plus, naturellement une pour obtenir un la même quantité de soie venant du bombix mori (le ver à soie) il faut 9 à 10 fois plus d’araignées. La seule solution viable restante c’est la synthèse.
Plusieurs start-up et équipe de chercheurs ont déjà réussi à produire de la soie d’araignée ces dernières années. La solution trouvée est finalement la transgenèse. Dès la fin des années 90 plusieurs laboratoire à travers le monde ont réussi à implanter le gêne de la soie d’araignée dans le génotype d’animaux notamment des chèvres. Malgré l’échec des chercheurs ont retenté l’expérience avec cette fois avec en tête l’hypothèse que le lait produit par la chèvre naturellement riche pourrait compenser la faiblesse retrouvé des dans les années 90 ou la soie était de mauvaise qualité. Ce qui a été un succès à nuancer.
La soie produite était effectivement de bonne qualité (plus résistante que le kevlar…). Mais la quantité produite c’est avéré assez aléatoire, ce qui est très problématique pour une application industrielle qui nécessite une production constante. Mais ce qui est certifié c’est que reproduire la soie d’araignée est désormais possible, malgré le manque d’efficacité de production.
Cela ouvre la voie à 2 grands types de projets. Ceux sur la sécurité et ceux sur la médecine. Ceux sur la sécurité envisagent dans le domaine civil de remplacer le matériau à mémoire de forme des ceintures de sécurités par un fil de soie d’araignée. La capacité d’élongation de cette toile permettrait aux passagers de mieux encaisser les chocs parfois très violents sur les autoroutes par exemple. Ou alors on envisage de remplacer le kevlar des armures pare-balles de police par de la soie d’araignées dont la résistances aux élongations encore une fois, permettrait dans le meilleur des cas de faire rebondir la balle sur l’armure protégeant encore mieux les soldats.
Les médecins quand à eux pensent plutôt à utiliser le fil d’araignée comme d’un fil de suture. Sa résistance à tout type de force permettrait de recoudre avec plus de fiabilité ou moins de danger les patients lors des opérations lourdes.
IV: Notre conclusion
La soie d’araignée est comme nous le voyons un métal extraordinaire. Il surpasse la plupart de nos matériaux en terme de résistance et peut servir à de nombreuses technologies. Notamment pour la sécurité et la santé. Même si aujourd’hui on ne peut pas exploiter industriellement ce matériau les avancées dans la recherche tendent à reproduire de plus en plus de soie. On ne connait pas encore les coûts exactes de cette technologie, mais on ne peut nier ses performances:
-Elle est 5 fois plus résistante que l’acier (bien que leur densité soit 6 fois moindre) et 3 fois plus que le kevlar (certaines, sont même encore 10 fois plus résistantes que ce dernier). -Elle est 2 fois plus souples que le nylon. -Elle présente une capacité d’absorption des chocs défiant toutes les lois de la gravité. -Elle est capables de s’allonger 5 fois et de reprendre leur taille initiale -Elle est tellement légères qu’une toile assez grande pour faire le tour de la terre ne pèserait que 320 grammes. -il faut dix fois plus d’énergie pour rompre une toile d’araignée que tout autre matériau biologique similaire
On peut penser que toutes ces capacités pourront à l’avenir être exploités ou recopiés. Ce qui nous fait dire que cette technologie est une technologie d’avenir
Or, l’une des règles de l’hydrodynamique comme de l’aérodynamisme était qu’une surface lisse sera toujours plus dynamique qu’une surface rugueuse. Comment expliquer et exploiter ce phénomène ?
La séricine (de formule brute C12H25N5O8) n’est pas à l’origine des qualités textiles de la soie ; elle ne lui donne que sa coloration. Elle enveloppe et soude les filaments de fibroïne constituant le fil et ainsi se trouve vers les parties extérieures du brin.
Le Biomimétisme 