Lorsqu'il s'agit de concocter le mélange complexe de molécules qui composent les fibres de soie naturelle, la nature bat haut la main l'ingénierie humaine. Malgré les efforts pour synthétiser le matériel, les variétés artificielles ne peuvent toujours pas égaler la force de la fibre naturelle.

Mais en partant de la soie produite par les vers à soie, le décomposer chimiquement, puis en le remontant, les ingénieurs ont découvert qu'ils pouvaient fabriquer un matériau plus de deux fois plus rigide que son homologue naturel et pouvant être façonné en structures complexes telles que des maillages et des treillis.

Le nouveau matériau est appelé fibre de soie régénérée (RSF) et pourrait trouver de nombreuses applications dans les environnements commerciaux et biomédicaux, disent les chercheurs. Les résultats sont rapportés dans le journal Communication Nature , dans un article du professeur d'ingénierie McAfee Markus Buehler, post-doctorant Shengjie Ling, chercheur scientifique Zhao Qin, et trois autres à l'Université Tufts.

Certains types de soie produits par les araignées sont parmi les matériaux les plus résistants connus, livre pour livre. Mais contrairement aux vers à soie, les araignées ne peuvent pas être élevées pour produire les fibres en quantités utiles. divers chercheurs, dont Buehler et ses collaborateurs, ont essayé de faire de la soie purement synthétique à la place, mais ces efforts n'ont pas encore produit de fibres pouvant correspondre à la résistance des versions naturelles.

Au lieu, l'équipe a maintenant développé un moyen d'exploiter les meilleures qualités de soie naturelle produite par les vers à soie, tout en le traitant d'une manière qui le rend plus fort et ouvre une grande variété de nouvelles formes et structures qui ne pourraient jamais être formées à partir de soie naturelle.

La clé est de briser la soie naturelle, mais pas trop, dit l'équipe. C'est-à-dire, ils dissolvent les cocons construits par les vers à soie, non pas au point que la structure moléculaire du matériau se décompose mais plutôt en une forme intermédiaire composée de microfibrilles. Ces minuscules, les assemblages filiformes préservent certaines des structures hiérarchiques importantes qui donnent à la soie sa force.

Bühler, qui est le chef du département de génie civil et environnemental, compare ce recyclage de matériaux à la démolition d'une vieille maison en brique. Au lieu de simplement renverser la maison dans un tas de décombres, cependant, les briques individuelles sont soigneusement séparées puis utilisées pour construire une nouvelle structure. "La nature est encore meilleure pour faire les microstructures" qui, comme l'ont démontré certaines de ses recherches antérieures, sont responsables de la rigidité unique de la soie, propriétés extensibles, il dit. "Dans ce cas, nous profitons de ce que la nature nous offre."

Bien que le fil et le tissu de soie soient chers, le coût du matériau provient principalement du processus laborieux de démêler le fil du cocon et de le tisser, non de la production même des vers à soie et de leurs cocons, qui sont assez bon marché, explique Ling. En masse, les cocons de vers à soie non transformés ne coûtent qu'environ 5 $ le kilogramme (2,2 livres), il dit.

En décomposant la soie puis en l'extrudant à travers une petite ouverture, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient produire une fibre deux fois plus rigide que la soie conventionnelle et se rapprochant de la rigidité de la soie d'araignée. Ce processus pourrait ouvrir une variété de possibilités pour de nouvelles utilisations. Par exemple, la soie est une substance naturellement biocompatible qui ne produit aucune réaction indésirable dans le corps, le nouveau matériau pourrait donc être idéal pour des applications telles que les sutures médicales, ou un échafaudage pour la croissance d'une nouvelle peau ou d'autres biomatériaux.

La méthode permet également aux chercheurs de façonner le matériau d'une manière qui ne pourrait jamais être reproduite par la soie naturelle. Il pourrait être formé, par exemple, en mailles, tuyaux, fibres beaucoup plus épaisses que la soie naturelle, bobines, feuilles et autres formulaires. "Nous ne sommes pas satisfaits de ce que [les vers à soie] fabriquent, " dit Buehler. "Nous voulons fabriquer nos propres nouveaux matériaux."

De telles formes peuvent être créées en utilisant le matériau reconstitué dans une sorte de système d'impression 3D personnalisé pour la solution de soie, dit Qin. Et l'un des avantages du nouveau procédé est qu'il peut être réalisé à l'aide de technologies de fabrication conventionnelles, il ne devrait donc pas être difficile de l'adapter à des quantités commerciales. Les propriétés spécifiques de la fibre, y compris sa rigidité et sa ténacité, peut être contrôlé selon les besoins simplement en faisant varier la vitesse du processus d'extrusion.

Ces fibres reconstituées sont également très sensibles aux différents taux d'humidité, et ils peuvent être rendus électriquement conducteurs en ajoutant un mince revêtement d'un autre matériau tel qu'une couche de nanotubes de carbone. Cela pourrait permettre leur utilisation dans une variété de dispositifs de détection, lorsqu'une surface recouverte d'une couche ou d'un treillis de telles fibres pourrait répondre à la pression d'un doigt, ou aux changements des conditions ambiantes.

Une application possible, par exemple, pourrait être un drap fabriqué à partir de telles fibres, dit Buehler. Une telle feuille pourrait être utilisée dans les établissements de soins infirmiers pour aider à éviter les escarres en surveillant la pression et en avertissant automatiquement les soignants lorsqu'un patient est resté trop longtemps allongé dans la même position avec une pression dans une zone particulière du corps. De telles applications pourraient être mises en pratique très rapidement, il dit, car aucun obstacle réel ne subsiste à la production de matériel adapté à de telles utilisations.