Les ancres qui retiennent les éponges de mer du panier de fleurs de Vénus au fond de l'océan ont une architecture interne qui augmente leur capacité à se plier. Crédit :Kesari Lab/Brown Universtiy
Les éponges de mer connues sous le nom de paniers de fleurs de Vénus restent fixées au fond de la mer avec rien de plus qu'un éventail de fines, ancres en forme de cheveux faites essentiellement de verre. C'est un travail important, et de nouvelles recherches suggèrent que c'est l'architecture interne de ces ancres, connu sous le nom de spicules de basalie, qui les aide à le faire.
Les spicules, chacun environ la moitié du diamètre d'un cheveu humain, sont constitués d'un noyau central de silice (verre) recouvert de 25 fins cylindres de silice. Vu en coupe, l'arrangement ressemble aux anneaux dans un tronc d'arbre. La nouvelle étude menée par des chercheurs de l'École d'ingénierie de l'Université Brown montre que, par rapport aux spicules prélevés sur une espèce d'éponge différente qui n'a pas l'architecture des cernes, les spicules de la basalie sont capables de se plier jusqu'à 2,4 fois plus avant de se briser.
"Nous avons comparé deux matériaux naturels avec des compositions chimiques très similaires, dont l'un a cette architecture complexe tandis que l'autre n'en a pas, " a déclaré Michael Monn, étudiant diplômé de l'Université Brown et premier auteur de la recherche. " Bien que les propriétés mécaniques des spicules aient été mesurées dans le passé, il s'agit de la première étude qui isole l'effet de l'architecture sur les propriétés des spicules et quantifie comment l'architecture améliore la capacité des spicules à se plier davantage avant de se casser. »
Cette aptitude à la courbure permet probablement aux spicules de se tisser dans le limon du fond marin, aidant à assurer la fixation sûre de l'éponge. Une meilleure compréhension du fonctionnement de cette architecture de spicule interne pourrait être utile pour développer de nouveaux matériaux fabriqués par l'homme, disent les chercheurs.
La recherche est publiée dans le Journal du comportement mécanique des matériaux biomédicaux .
Les spicules vaporeux de basalie de l'éponge du panier de fleurs de Vénus peuvent être vus à la base du squelette. Crédit :Kesari Lab/Brown University
Lorsque le co-auteur de l'étude Haneesh Kesari, professeur adjoint à la Brown's School of Engineering, a d'abord vu l'architecture interne des spicules de basalie, il fut immédiatement intrigué par la consistance et la régularité du motif. "Cela ressemblait à une figure d'un livre de mathématiques, " il a dit.
Depuis, Kesari s'est efforcé de comprendre la signification de l'architecture. En 2015, Kesari, Monn et plusieurs collègues ont publié une analyse montrant que la disposition des couches concentriques des spicules, dont l'épaisseur diminue progressivement du centre vers l'extérieur, est mathématiquement optimale pour maximiser la force des spicules.
Cette dernière étude est un test plus direct d'une propriété que les chercheurs jugent importante pour les ancrages à spicules :contrainte de rupture en flexion, c'est la mesure dans laquelle quelque chose peut se plier sans se casser.
"Intuitivement, il est logique que les spicules seraient de meilleures ancres s'ils pouvaient se frayer un chemin à travers le limon", dit Monn. "Cela les rendrait beaucoup plus difficiles à retirer que s'ils étaient droits. La propriété mécanique la plus associée à cette fonctionnalité souhaitable serait la contrainte de rupture en flexion."
Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé un appareil qu'ils ont spécialement conçu pour tester jusqu'où les spicules peuvent se plier. Les spicules sont posés sur une scène avec un espace au milieu. Un petit coin est ensuite abaissé sur le spicule, qui le plie dans l'espace. Une caméra sur le côté de l'appareil prend des photos, fournissant des mesures précises de la distance à laquelle les spicules se plient avant de se briser.
Les spicules du panier de fleurs de Vénus (en haut) peuvent se plier beaucoup plus que les spicules en éponge de puffball (en bas). Crédit :Kesari Lab/Brown University
Monn et Kesari ont utilisé l'appareil pour tester à la fois les spicules de basalie des paniers de fleurs de Vénus ainsi que les spicules d'une espèce différente, l'éponge puffball orange. Les deux ensembles de spicules ont à peu près les mêmes diamètres et une composition de silice essentiellement identique. Mais les spicules de puffball manquent de l'architecture interne des paniers de fleurs. Ainsi, toute différence de contrainte de flexion entre les deux pourrait être attribuée à l'architecture.
Les expériences ont montré que les spicules du panier de fleurs pouvaient se plier 140 pour cent de plus que les spicules de la puffball.
« La mesure dans laquelle les spicules pouvaient se plier était assez surprenante car elles sont essentiellement en verre », dit Monn. Les ingénieurs utilisent souvent un modèle appelé théorie des poutres d'Euler-Bernoulli pour calculer combien une poutre se pliera sous une charge, mais cela ne s'applique que lorsque l'amplitude de la flexion est très faible. Les spicules se sont avérés capables de se plier trop pour que la théorie puisse s'en accommoder.
"Ce que cela dit, c'est que les théories classiques que nous utilisons pour analyser les tests mécaniques des matériaux d'ingénierie peuvent ne pas être exactes lorsqu'il s'agit de matériaux biologiques, " a déclaré Monn. " Nous devons donc également changer notre approche d'analyse et pas seulement copier et coller ce que nous avons utilisé pour les matériaux d'ingénierie. "
Monn espère que des études comme celle-ci fourniront les données nécessaires pour concevoir des modèles appropriés pour expliquer les propriétés de ces structures naturelles, et éventuellement utiliser ces structures pour de nouveaux matériaux fabriqués par l'homme.
