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[Cahier Technique] Quand les matériaux industriels s'inspirent du vivant

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[Cahier Technique] Quand les matériaux industriels s'inspirent du vivant

Au cours de sa vie, le nautile développe une coquille en forme de spirale qui assure sa flottabilité. Produite avec peu d’éléments chimiques et d’énergie, la structure complexe de ce mollusque marin inspire les industriels.

La capacité d’adaptation du vivant ne cesse de nous surprendre. Des millions d’années d’évolution aboutissent souvent à des solutions simples et ingénieuses qui intéressent les chercheurs et les industriels. En s’inspirant des matériaux issus du vivant, ils veulent développer des procédés d’éco-conception pour produire des matières multi-fonctionnelles.

Le terme biomimétisme (du grec « bios », vivant, et « mimesis », imiter) désigne l’approche consistant à s’inspirer des systèmes vivants pour innover et repenser nos processus de conception. Explorer cette R & D longue de 3,8 milliards d’années sur des millions d’espèces permet d’enrichir nos connaissances dans de nombreux domaines tels que l’architecture, la communication et l’information en général, l’énergie, les matériaux. Actuellement, entre 50 000 et 80 000 matériaux sont utilisés dans diverses applications, de la santé au bâtiment, en passant par le packaging. Les chercheurs et les ingénieurs tentent d’optimiser leurs propriétés pour qu’ils répondent aux cahiers des charges des industriels, de plus en plus complexes. Les matériaux doivent en effet être sur mesure et multicritères. Par conséquent, la structuration de la matière est étudiée à toutes les échelles afin de comprendre son influence sur les propriétés, à l’aide d’outils performants tels que la modélisation. L’objectif consiste à jouer sur la nano- ou la microstructure, sur l’architecture et les associations de matériaux, pour assurer des fonctions de plus en plus variées.

1. Principe

S’inspirer des matériaux du vivant pour revoir les procédés de fabrication

Les procédés de synthèse et de production des matériaux, traditionnellement conçus dans une logique d’économie linéaire et gourmands en énergie et en ressources, mobilisent les recherches. Composés de matières premières rares, difficiles à extraire et à purifier, ils nécessitent des traitements thermiques, mécaniques et chimiques (« heat, beat and treat »). Lorsqu’ils sont arrivés en fin de vie, leur recyclage est souvent limité à des procédés de dévalorisation (« downcycling »). On dispose d’une grande marge de manœuvre pour diminuer ces impacts (fig. 1).

Les matériaux naturels possèdent des propriétés qui sont une source d’inspiration pour les ingénieurs. Citons la légèreté des structures (bambou, os, du poisson-coffre, tiges de plantes), les propriétés mécaniques (coquille d’ormeau, soie d’araignée, troncs d’arbres), la résistance à l’impact (peau de pamplemousse, corne de rhinocéros) qui pourrait être mise à profit dans le bâtiment, la défense ou la santé, l’isolation et la conduction (ours polaire, escargot du désert, bec du toucan). Ou encore l’adhésion (moule, gecko, poulpe) et l’auto-cicatrisation (peau, lézard, sève d’hévéa), qui pourraient être exploitées en médecine notamment. Nous pouvons également imaginer des revêtements intelligents qui reprendraient les propriétés optiques des ailes des papillons Morpho ou des écailles de poisson, les propriétés aérodynamiques de la peau de requin ou des feuilles d’érable, ou qui seraient autonettoyants comme la feuille de lotus ou les ailes des cigales.

FIG 1 : Des procédés de production peu énergivores


Les êtres vivants sont capables de produire, à température ambiante et avec une économie de moyens, des matériaux complexes. Comprendre comment ils font permettrait de mettre au point des processus industriels moins énergivores.

Il ne s’agit pas simplement de trouver le meilleur matériau, mais de le concevoir avec des procédés innovants, dans des conditions de chimie douce (avec une pression et une température ambiantes, un solvant aqueux universel), à partir d’un nombre restreint de briques élémentaires constituées d’éléments chimiques abondants. Une panoplie de solutions a été éprouvée et sélectionnée par l’évolution, ce qui fixe le cadre de durabilité respectant les principes du vivant.

2. Conception

Des designs élégants et efficients

Depuis 3,8 milliards d’années, les organismes vivants maintiennent la vie sur Terre dans des conditions extérieures variables. L’évolution et la sélection naturelle ont permis de diversifier les structures et les fonctions mises en œuvre. Plus de 10 millions d’espèces ont colonisé tous les espaces habitables grâce à des solutions optimisées, durables et adaptées aux contraintes de leur environnement à un instant donné. Chacun des règnes du vivant – bactéries, champignons, plantes et animaux – contribue à la diversité des matériaux biologiques. On désigne par matériaux biologiques l’ensemble des matériaux constitutifs des organismes vivants : des enveloppes externes et des tissus internes aux briques élémentaires, comme les protéines et les polysaccharides à l’intérieur des cellules.

Les matériaux sont divisés en métaux, céramiques, polymères et composites. En regardant le vivant sous l’angle de la science des matériaux, les matériaux biologiques sont essentiellement des céramiques (comme les coquilles à base de sels de calcium et de silice) et des biopolymères (protéines, polysaccharides), sans oublier les matériaux composites associés dans différentes proportions. Les métaux sont présents dans le vivant sous forme d’oligo-éléments. À l’inverse, les matériaux manufacturés sont essentiellement des métaux et des céramiques.

Les matériaux biologiques atteignent des propriétés mécaniques tout à fait comparables aux matériaux manufacturés (fig. 2). Et ceci, malgré une très faible densité, rarement au-delà de 3 g/cm3, et à partir d’un nombre restreint de briques élémentaires de base, là où les matériaux manufacturés utilisent l’ensemble des éléments du tableau périodique. Les matériaux biologiques recouvrent une large gamme de rigidité (de 0,001 à 100 GPa) et de résistance mécanique à la rupture (de 0,1 à 1 000 MPa), comparables aux valeurs des matériaux manufacturés. Malgré ce recouvrement important, les matériaux manufacturés tels que les céramiques hautes performances et les alliages métalliques ont des valeurs de rigidité beaucoup plus élevées que celles des meilleurs matériaux naturels, pour répondre à des applications bien différentes. La soie fait exception, atteignant la ténacité extraordinaire de 1 000 MJ/m-3 avec un module élastique de 10 GPa – approchant celle du Kevlar.

FIG. 2 : Des propriétés mécaniques équivalentes à celles des matériaux manufacturés


Malgré une densité très faible, allant rarement au-delà de 3 g/cm3, et à partir d’un nombre restreint de briques élémentaires de base, les matériaux biologiques ont des propriétés qui rivalisent avec celles des matériaux manufacturés, même les plus techniques.

Une caractéristique remarquable des matériaux biologiques est leur multifonctionnalité, issue de processus d’optimisation au cours de l’évolution. Une même structure peut être à l’origine de nombreuses fonctions : apparence optique, régulation thermique, mouillabilité, déformabilité… Ces matériaux présentent une certaine versatilité en étant auto-cicatrisants, par l’intermédiaire d’un fluide circulant ou de l’activité cellulaire, et adaptatifs selon des stimuli externes. Les éléments les plus abondants dans le monde vivant sont les atomes de carbone (C), d’hydrogène (H), d’oxygène (O) et d’azote (N), qui constituent à eux seuls 96 % de la matière vivante. En plus faibles quantités, on trouve le phosphore (P), le soufre (S) et quelques espèces ioniques : calcium (Ca2+), potassium (K+), sodium (Na2+) et chlore (Cl-). Les métaux, plus rares, sont présents en quantités infimes (oligo-éléments, biomiméralisation…). Cette composition très restreinte assure la recyclabilité, la biocompatibiltié et la disponibilité des ressources. Les organismes vivants ont des teneurs en eau très élevées : de 60 % (être humain) à 98 % (méduse). L’eau agit comme solvant universel des réactions biochimiques, dans des conditions de température et de pression modérées.

Les molécules biologiques universelles dans le monde vivant appartiennent à quatre classes : les protéines, les polysaccharides, les acides nucléiques et les lipides. Du point de vue chimique, ce sont des polymères (du grec, « polus », plusieurs, et « meros », partie). Ils sont constitués d’un grand nombre d’unités structurales de base (les monomères), rattachées par des liaisons covalentes.

- Une protéine est une séquence d’acides aminés qui possède une fonction biologique : catalyseur, hormone, anticorps, maintien structural... La fonction des protéines dépend de leur conformation tridimensionnelle. Lorsqu’une protéine perd sa conformation (à cause d’une exposition à la chaleur par exemple), elle n’est plus fonctionnelle.

- Les polysaccharides sont des macromolécules de glucides,[…]

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