Les biofilms sont généralement considérés comme un problème à éradiquer en raison des dangers qu'ils présentent pour l'homme et les matériaux. Cependant, ces communautés d'algues, les champignons ou les bactéries possèdent des propriétés intéressantes tant d'un point de vue scientifique que technique. Une équipe de l'Université technique de Munich (TUM) décrit des processus du domaine de la biologie qui utilisent des biofilms pour créer des modèles structurels pour de nouveaux matériaux possédant les propriétés des matériaux naturels. Autrefois, cela n'a été possible que dans une mesure limitée.
Sur des millions d'années, matériaux naturels comme le bois, l'os et la nacre ont été optimisés via évolution selon le principe d'une stabilité adaptée avec un poids le plus faible possible. La nature a inspiré de nombreux développements techniques. Les exemples incluent les ailes d'avion, fermetures à glissière et mastics de surface utilisant un effet lotus. Cependant, l'ingénierie inverse ne peut pas reproduire la complexité structurelle de l'original dans la nature.
"Dans la nature, nous trouvons de nombreux matériaux avec des propriétés que les matériaux artificiels sont incapables de reproduire exactement de la même manière, " a déclaré le professeur Cordt Zollfrank, qui effectue des recherches sur les principes de base pour le développement de nouveaux matériaux avec son équipe à la Chaire de polymères biogéniques du TUM Campus Straubing pour la biotechnologie et la durabilité.
Les plus gros problèmes au plus petit niveau
Interface entre la biologie et la technologie, la bionique utilise des méthodes et des systèmes trouvés dans la nature pour apporter des solutions aux problèmes techniques. Lorsqu'il se limitait encore à l'utilisation de formes naturelles, par exemple. comme modèles de développement dans la conception d'ailes d'avions ou de coques de navires, les problèmes restaient gérables. Cependant, imiter les propriétés matérielles des matériaux de construction naturels est une toute autre histoire. C'est parce qu'ils se trouvent dans les structures internes, où les fibres sont liées les unes aux autres sur plusieurs ordres de grandeur et à travers différents niveaux hiérarchiques.
"D'habitude, les principales sources de propriétés mécaniques des matériaux telles que l'élasticité, la force et la ténacité se trouvent au plus petit niveau de ces hiérarchies, surtout à l'échelle nanométrique, " a expliqué le Dr Daniel Van Opdenbosch, un chef d'équipe à la chaire de Zollfrank et l'un des auteurs de l'article, décrivant le problème principal en essayant de les traduire en solutions techniques. Cependant, lorsque les micro-organismes eux-mêmes ou leurs sécrétions créent la matière, les réseaux complexes techniquement sophistiqués sont déjà entièrement formés.
L'avenir de la bionique
Dans un article pour la revue Matériaux avancés , les chercheurs du TUM présentent une série de procédures du domaine de la biologie qui utilisent la lumière, Chauffer, substrats spécialement préparés, et d'autres stimuli pour guider la direction du mouvement des micro-organismes le long de chemins très spécifiques. "Ces découvertes biologiques pour contrôler les microbes via des stimuli ciblés façonneront l'avenir de la recherche sur les matériaux, " a déclaré le professeur Cordt Zollfrank. En effet, ils permettent de créer des modèles sur mesure pour de nouveaux matériaux avec des structures naturelles issues des microbes eux-mêmes ou de leurs sécrétions. " Avec notre article, nous voulons montrer la direction que ce voyage nous mènera dans le domaine de la science des matériaux d'inspiration biologique, " dit le professeur.
Modélisation sans contact
Daniel Van Opdenbosch et son groupe utilisent déjà avec succès certaines de ces méthodes à Straubing. Dans le cadre d'un projet Reinhart Koselleck de la Fondation allemande pour la recherche (DFG), les chercheurs profitent des propriétés particulières des algues rouges, dont le sens de déplacement dépend de l'exposition à la lumière, et qui sécrètent des chaînes à partir de molécules de sucre. En projetant des motifs lumineux qui changent au fil du temps dans le milieu de croissance des algues, les chercheurs les utilisent pour créer de longs, fils fins de polymère, qui servent de gabarits personnalisés pour la fabrication de céramiques fonctionnelles.
Avec l'aide des algues, n'importe quel nombre de modèles peut être créé pour une grande variété d'applications, allant des électrodes de batterie aux nouvelles technologies d'écran et d'affichage aux applications en médecine, tels que les os et les tissus de remplacement. Bien que la capacité de développer des microstructures complexes telles que des composants entiers et d'autres matériaux structurés hiérarchiquement soit encore loin dans le futur, elle pourrait bientôt devenir une réalité tangible grâce à la recherche fondamentale menée par les chercheurs de Straubing.
