Les matériaux synthétiques les plus résistants sont souvent ceux qui imitent intentionnellement la nature.

Une substance naturelle que les scientifiques ont recherchée pour créer des matériaux synthétiques est la nacre, également connu sous le nom de nacre. Un exceptionnellement dur, matériau rigide produit par certains mollusques et servant de couche de coquille interne, il comprend également la couche externe de perles, leur donnant leur éclat brillant.

Mais si les propriétés uniques de la nacre en font une source d'inspiration idéale pour la création de matériaux synthétiques, la plupart des méthodes utilisées pour produire de la nacre artificielle sont complexes et énergivores.

Maintenant, un biologiste de l'université de Rochester a inventé une méthode peu coûteuse et respectueuse de l'environnement pour fabriquer de la nacre artificielle à l'aide d'un composant innovant :les bactéries. La nacre artificielle créée par Anne S. Meyer, professeur agrégé de biologie à Rochester, et ses collègues est fait de matériaux produits biologiquement et a la ténacité de la nacre naturelle, tout en étant raide et, étonnamment, pliable.

La méthode utilisée pour créer le nouveau matériau pourrait conduire à de nouvelles applications en médecine, l'ingénierie et même la construction de bâtiments sur la lune.

Propriétés mécaniques impressionnantes

Les propriétés mécaniques impressionnantes de la nacre naturelle découlent de sa structure hiérarchique, structure en couches, qui permet à l'énergie de se disperser uniformément à travers le matériau. Dans un article publié dans la revue Petit , Meyer et ses collègues décrivent leur méthode d'utilisation de deux souches de bactéries pour reproduire ces couches. Lorsqu'ils ont examiné les échantillons au microscope électronique, la structure créée par les bactéries était stratifiée de la même manière que la nacre produite naturellement par les mollusques.

Bien que les matériaux inspirés de la nacre aient été créés synthétiquement auparavant, les méthodes utilisées pour les fabriquer impliquent généralement des équipements coûteux, températures extrêmes, conditions de haute pression, et produits chimiques toxiques, dit Meyer. "De nombreuses personnes créant de la nacre artificielle utilisent des couches de polymères qui ne sont solubles que dans des solutions non aqueuses, un solvant organique, et puis ils ont ce seau géant de déchets à la fin de la procédure qu'il faut éliminer."

Pour produire de la nacre dans le laboratoire de Meyer, cependant, tout ce que les chercheurs ont à faire est de cultiver des bactéries et de les laisser reposer dans un endroit chaud.

De la bactérie à la nacre

Pour fabriquer la nacre artificielle, Meyer et son équipe créent en alternance de fines couches de carbonate de calcium cristallisé, comme du ciment, et de polymère collant. Ils prennent d'abord une lame de verre ou de plastique et la placent dans un bécher contenant les bactéries Sporosarcina pasteurii , une source de calcium, et l'urée (dans le corps humain, l'urée est le déchet excrété par les reins pendant la miction). Cette combinaison déclenche la cristallisation du carbonate de calcium. Pour faire la couche de polymère, ils placent la lame dans une solution de bactéries Bacillus licheniformis , puis laissez le bécher reposer dans un incubateur.

À l'heure actuelle, il faut environ une journée pour constituer une couche, environ cinq micromètres d'épaisseur, de carbonate de calcium et de polymère. Meyer et son équipe étudient actuellement le revêtement d'autres matériaux comme le métal avec de la nacre, et "nous essayons de nouvelles techniques pour rendre plus épais, matériaux de type nacre plus rapidement et cela pourrait être le matériau entier lui-même, " dit Meyer.

Construire des maisons sur la lune

L'une des caractéristiques les plus bénéfiques de la nacre produite dans le laboratoire de Meyer est qu'elle est biocompatible, constituée de matériaux que le corps humain produit ou que les humains peuvent manger naturellement de toute façon. Cela rend la nacre idéale pour les applications médicales comme les os artificiels et les implants, dit Meyer. "Si tu te casses le bras, par exemple, vous pourriez mettre une épingle en métal qui doit être retirée lors d'une deuxième intervention chirurgicale après la guérison de votre os. Une épingle faite de notre matériau serait rigide et résistante, mais vous n'auriez pas à l'enlever."

Et, tandis que le matériau est plus résistant et plus rigide que la plupart des plastiques, il est très léger, une qualité particulièrement précieuse pour les véhicules de transport comme les avions, bateaux, ou des fusées, où chaque livre supplémentaire signifie du carburant supplémentaire. Parce que la production de nacre bactérienne ne nécessite aucun instrument complexe, et le revêtement de nacre protège contre la dégradation chimique et les intempéries, il est prometteur pour les applications de génie civil comme la prévention des fissures, revêtements protecteurs pour le contrôle de l'érosion, ou pour la conservation d'objets culturels, et pourrait être utile dans l'industrie alimentaire, comme matériau d'emballage durable.

La nacre pourrait aussi être un matériau idéal pour construire des maisons sur la lune et d'autres planètes :les seuls « ingrédients » nécessaires seraient un astronaute et un petit tube de bactéries, dit Meyer. "La lune a une grande quantité de calcium dans la poussière de lune, donc le calcium est déjà là. L'astronaute apporte les bactéries, et l'astronaute fabrique l'urée, c'est la seule autre chose dont vous avez besoin pour commencer à fabriquer des couches de carbonate de calcium."

Au-delà même de ses qualités de matériau de structure idéal, la nacre elle-même - comme le sait tout propriétaire de bijoux en perles - est "très belle, " Meyer dit, en raison de ses couches empilées. Chaque couche empilée a approximativement la même longueur d'onde que la lumière visible. Quand la lumière frappe la nacre, "les longueurs d'onde de la lumière interagissent avec ces couches de même hauteur, de sorte qu'elles rebondissent dans la même longueur d'onde que la lumière visible." Alors que la nacre bactérienne n'interagit pas avec la lumière visible car les couches sont plus épaisses que la nacre naturelle, il pourrait interagir avec les longueurs d'onde infrarouges et rebondir sur lui-même, Meyer dit, qui "peut offrir des propriétés optiques uniques".