Soie d'araignée, déjà connu comme l'un des matériaux les plus résistants pour son poids, s'avère avoir une autre propriété inhabituelle qui pourrait conduire à de nouveaux types de muscles artificiels ou d'actionneurs robotiques, les chercheurs ont trouvé.

Les fibres résilientes, l'équipe a découvert, réagissent très fortement aux changements d'humidité. Au-dessus d'un certain taux d'humidité relative de l'air, ils se contractent et se tordent soudainement, exerçant une force suffisante pour être potentiellement compétitifs avec d'autres matériaux explorés en tant qu'actionneurs, des dispositifs qui se déplacent pour effectuer une activité telle que le contrôle d'une vanne.

Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans le journal Avancées scientifiques , dans un article du professeur du MIT Markus Buehler, chef du département de génie civil et environnemental, avec l'ancienne postdoctorante Anna Tarakanova et l'étudiante de premier cycle Claire Hsu au MIT; Dabiao Liu, professeur agrégé à l'Université des sciences et technologies de Huazhong à Wuhan, Chine; et six autres.

Des chercheurs ont récemment découvert une propriété de la soie d'araignée appelée supercontraction, dans lequel les fibres minces peuvent soudainement rétrécir en réponse aux changements d'humidité. La nouvelle découverte est que non seulement les fils se contractent, ils se tordent aussi en même temps, fournissant une force de torsion forte. "C'est un phénomène nouveau, " dit Buehler.

"Nous avons trouvé cela par accident au départ, " dit Liu. " Mes collègues et moi voulions étudier l'influence de l'humidité sur la soie des draglines d'araignées. " Pour ce faire, ils suspendaient un poids à la soie pour en faire une sorte de pendule, et l'ont enfermé dans une chambre où ils pouvaient contrôler l'humidité relative à l'intérieur. « Quand nous avons augmenté le taux d'humidité, le pendule a commencé à tourner. C'était hors de nos attentes. Cela m'a vraiment choqué."

L'équipe a testé un certain nombre d'autres matériaux, y compris les cheveux humains, mais n'ont trouvé aucun tel mouvement de torsion dans les autres qu'ils ont essayés. Mais Liu a dit qu'il avait commencé à penser tout de suite que ce phénomène "pourrait être utilisé pour des muscles artificiels".

"Cela pourrait être très intéressant pour la communauté robotique, " Buehler dit, comme une nouvelle façon de contrôler certains types de capteurs ou de dispositifs de contrôle. "C'est très précis dans la façon dont vous pouvez contrôler ces mouvements en contrôlant l'humidité."

La soie d'araignée est déjà connue pour son rapport résistance/poids exceptionnel, sa souplesse, et sa robustesse, ou la résilience. Un certain nombre d'équipes à travers le monde s'efforcent de reproduire ces propriétés dans une version synthétique de la fibre à base de protéines.

Alors que le but de cette force de torsion, du point de vue de l'araignée, est inconnu, les chercheurs pensent que la surcontraction en réponse à l'humidité peut être un moyen de s'assurer qu'une toile est bien tendue en réponse à la rosée du matin, peut-être en la protégeant des dommages et en maximisant sa réactivité aux vibrations pour que l'araignée sente sa proie.

"Nous n'avons trouvé aucune signification biologique" pour le mouvement de torsion, dit Buehler. Mais grâce à une combinaison d'expériences en laboratoire et de modélisation moléculaire par ordinateur, ils ont pu déterminer le fonctionnement du mécanisme de torsion. Il s'avère être basé sur le repliement d'un type particulier de bloc de construction protéique, appelé proline.

L'étude de ce mécanisme sous-jacent a nécessité une modélisation moléculaire détaillée, qui a été réalisée par Tarakanova et Hsu. "Nous avons essayé de trouver un mécanisme moléculaire pour ce que nos collaborateurs trouvaient en laboratoire, " explique Hsu. " Et nous avons en fait trouvé un mécanisme potentiel, " sur la base de la proline. Ils ont montré qu'avec cette structure particulière de proline en place, la torsion s'est toujours produite dans les simulations, mais sans elle, il n'y avait pas de torsion.

"La soie de dragline d'araignée est une fibre protéique, " explique Liu. " Il est composé de deux protéines principales, appelé MaSp1 et MaSp2." La proline, crucial pour la réaction de torsion, se trouve dans MaSp2, et lorsque les molécules d'eau interagissent avec elle, elles perturbent ses liaisons hydrogène de manière asymétrique, ce qui provoque la rotation. La rotation ne va que dans un sens, et il a lieu à un seuil d'environ 70 pour cent d'humidité relative.

"La protéine a une symétrie de rotation intégrée, " dit Buehler. Et par sa force de torsion, il rend possible "une toute nouvelle classe de matériaux". Maintenant que cette propriété a été trouvée, Il suggère, peut-être qu'il peut être reproduit dans un matériau synthétique. "Peut-être pouvons-nous fabriquer un nouveau matériau polymère qui reproduirait ce comportement, " dit Buehler.

« La propension unique de la soie à subir une surcontraction et à présenter un comportement en torsion en réponse à des déclencheurs externes tels que l'humidité peut être exploitée pour concevoir des matériaux à base de soie réactifs qui peuvent être réglés avec précision à l'échelle nanométrique, " dit Tarakanova, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université du Connecticut. « Les applications potentielles sont diverses :des robots et capteurs mous pilotés par l'humidité, aux textiles intelligents et aux générateurs d'énergie verte."

Il peut également s'avérer que d'autres matériaux naturels présentent cette propriété, mais si c'est le cas cela n'a pas été remarqué. "Ce genre de mouvement de torsion peut être trouvé dans d'autres matériaux que nous n'avons pas encore examinés, " dit Buehler. En plus des muscles artificiels possibles, la découverte pourrait également conduire à des capteurs d'humidité précis.