Afin de découvrir pourquoi l'araignée de chasse Cupiennius salei adhère si bien aux surfaces verticales, l'équipe de recherche interdisciplinaire étudie les minuscules poils adhésifs sur les pattes de l'araignée. Crédit :Universität Kiel, Julia Siekmann
Les araignées de chasse grimpent facilement sur les surfaces verticales ou se déplacent à l'envers au plafond. Un millier de petits poils au bout de leurs pattes font en sorte qu'ils ne tombent pas. Comme l'exosquelette de l'araignée, ces poils ressemblant à des poils (appelés soies) sont principalement constitués de protéines et de chitine, qui est un polysaccharide. Pour en savoir plus sur leur fine structure, une équipe de recherche interdisciplinaire des départements de biologie et de physique de l'Université de Kiel et du Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) a examiné plus en détail la structure moléculaire de ces poils à la source de lumière à rayons X PETRA III de DESY et à l'installation européenne de rayonnement synchrotron ESRF. Grâce à la lumière à rayons X hautement énergétique, les chercheurs ont découvert que les molécules de chitine des soies sont spécialement conçues pour résister aux contraintes d'attachement et de détachement constants. Leurs découvertes pourraient constituer la base de futurs matériaux hautement résilients. Ils ont été publiés dans le numéro actuel du Journal de la Royal Society Interface .
Les minuscules plaques de contact sur les pattes de l'araignée, qui ne mesurent que quelques centaines de nanomètres, sont soumis à de grandes forces lorsque l'araignée court ou grimpe. Cependant, ces structures adhésives résistent facilement aux fortes contraintes. "En comparaison, les matériaux produits artificiellement ont tendance à se casser plus souvent, " explique Stanislav N. Gorb de l'Institut zoologique de l'Université de Kiel. " C'est pourquoi nous voulons découvrir ce qui rend les pattes d'araignée si stables pour résister aux forces d'arrachement fortes. " Avec les membres de son groupe de travail " Morphologie fonctionnelle et biomécanique " , le zoologiste étudie les mécanismes d'adhésion biologique et comment ils pourraient être transférés dans des matériaux et des surfaces artificiels.
Gorb et son collègue, le zoologiste et biomécanicien Clemens Schaber, ont supposé que le secret de la stabilité des poils adhésifs d'araignées réside dans la structure moléculaire de leur matériau. Compte tenu des petites dimensions des poils dans la gamme micrométrique inférieure, cependant, il est impossible d'étudier leur architecture matérielle moléculaire en utilisant des méthodes conventionnelles.
Afin de vérifier leur hypothèse, les scientifiques de Kiel ont collaboré avec Martin Müller de l'Institut de physique expérimentale et appliquée, Responsable de la division Physique des Matériaux au HZG. Avec son équipe et la doctorante Silja Flenner, les scientifiques ont étudié les poils adhésifs de l'espèce d'araignée Cupiennius salei en utilisant des méthodes de diffraction des rayons X à résolution spatiale à l'ESRF de Grenoble, La France, et au PETRA III de DESY à Hambourg.
La diffusion des faisceaux de rayons X permet de tirer des conclusions sur la répartition de la chitine dans les poils adhésifs. La couleur rouge indique leur densité jusqu'à la pointe. Crédit :Schaber et al., Journal de la Royal Society Interface , CC BY 4.0
Ces anneaux de stockage sont parmi les meilleures et les plus puissantes sources de rayons X au monde. Et c'est là que l'équipe de recherche a frappé le matériau de l'araignée avec des faisceaux de rayons X. La manière exacte dont ce rayonnement est diffusé par le matériau fournit des informations d'une précision nanométrique sur la composition du matériau. "Cette méthode a révélé que les molécules de chitine dans les poils adhésifs de l'araignée ont un arrangement très spécifique aux extrémités des poils. Le matériau des pointes renforce les poils adhésifs dans le sens de la force d'arrachement en raison de la présence d'orientations parallèles fibres de chitine, "Müller a dit, résumant leurs conclusions.
"Une autre idée remarquable est que les fibres de chitine dans d'autres parties des pattes de l'araignée vont dans des directions différentes. Cette structure, qui est similaire au contreplaqué, rend la tige du cheveu stable dans différentes directions de flexion, " explique Schaber, auteur principal de l'étude. L'alignement parallèle des molécules de fibres dans les poils adhésifs, d'autre part, suit les forces de traction et de pression agissant sur eux. Cette structure permet aux poils d'absorber les contraintes qui se produisent lorsque les pattes de l'araignée adhèrent et se détachent.
Des poils adhésifs similaires peuvent être trouvés, par exemple, sur les pattes des geckos. L'équipe de recherche émet donc l'hypothèse qu'il pourrait s'agir d'un principe biologique clé permettant aux animaux d'adhérer à différentes surfaces. Leurs découvertes pourraient ainsi avoir des implications révolutionnaires pour le développement de nouveaux matériaux à haute résilience. Cependant, simuler artificiellement des arrangements moléculaires biomimétiques intelligents, tels que ceux des fibres de chitine à l'échelle nanométrique, reste difficile.
« La nature utilise différentes méthodes :les matériaux biologiques et leur structure se développent simultanément, tandis que les étapes impliquées dans la production artificielle sont séquentielles, " a déclaré Gorb. De nouvelles technologies de production additive telles que l'impression 3D à l'échelle nanométrique pourraient un jour contribuer au développement de matériaux complètement nouveaux inspirés par la nature.
