La coupe transversale d'un bambou moso sauvage Phyllostachys pubescens. Les fibres (faisceaux vasculaires) entourant les ouvertures noires en forme de cœur ont une distribution plus dense vers la partie externe. Crédit :Sato M., et al., PLOS UN, 3 mai, 2017
La répartition spatiale des fibres dans les cylindres creux en bambou est optimisée pour renforcer la rigidité en flexion, une nouvelle découverte qui éclaire les approches biomimétiques dans le développement de matériaux.
Léger et résistant, le bambou est largement utilisé comme un naturel, matériel fonctionnel au Japon et dans d'autres pays asiatiques. Le bambou est léger en raison de sa structure creuse, ce qui permet à la plante de pousser plus vite avec de petites quantités de parties ligneuses et de s'exposer à la lumière du soleil au-dessus des autres arbres. Mais cette légèreté rend également le bambou vulnérable aux forts vents de travers et peut rendre difficile pour la plante de supporter son propre poids. Pour pallier cette lacune, les parties ligneuses du bambou sont renforcées de fibres fines mais robustes (faisceaux vasculaires). Chaque fibre est aussi rigide que l'acier.
L'examen d'une coupe transversale de bambou révèle que les fibres des parties ligneuses ne sont pas également réparties. La densité des fibres devient progressivement plus épaisse de la surface intérieure vers la surface extérieure, suggérant que les parties extérieures sont, mécaniquement parlant, plus fort que les parties intérieures. Ceci est raisonnable car les pièces extérieures reçoivent plus de force lorsque le cylindre est plié.
Pour déterminer la relation entre la répartition des fibres de renfort dans un chaume et la rigidité en flexion du chaume, chercheurs de l'Université d'Hokkaido, L'université préfectorale de Kumamoto et l'université de Yamanashi ont comparé les données de la distribution réelle des fibres de bambou à la distribution optimale des fibres théoriquement dérivée.
Étonnamment, les données réelles sur le bambou affichaient presque la même distribution de fibres que celle avec la théorie, répartition optimale des fibres. Près de la racine du chaume, où l'on trouve un grand nombre de fibres, la distribution réelle des fibres correspondait à la forme quadratique dérivée théoriquement pour la distribution du gradient. Près de la pointe du chaume, où il y a beaucoup moins de fibres que près de la racine, les données expérimentales correspondaient à la distribution linéaire calculée conformément à la théorie.
Les courbes de distribution du gradient dans la section transversale du bambou réel (à gauche) correspondaient aux courbes calculées sur la base d'une théorie mécanique pour une rigidité en flexion optimale (à droite). La valeur de n est un nombre d'entre-nœuds attribué de la racine à la pointe. Crédit :Sato M., et al., PLOS UN, 3 mai, 2017
Par conséquent, les chercheurs ont découvert que le bambou ajuste avec précision la distribution des fibres afin que la rigidité à la flexion soit maximisée avec le plus petit volume de bois possible. La théorie mécanique employée dans cette recherche, donc, peut être appliqué à d'autres cylindres creux pour déterminer la distribution de gradient qui peut optimiser la rigidité en flexion.
"Notre étude pourrait aider à développer des matériaux avancés en imitant le modèle du bambou pour sa légèreté et sa résistance. En imitant les systèmes d'animaux et de plantes qui ont survécu à des conditions difficiles, une approche appelée biomimétique s'est avérée efficace pour résoudre de nombreux problèmes dans le développement de matériaux ces dernières années, " a commenté Motohiro Sato, l'auteur principal à l'Université d'Hokkaido.
