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Leur découverte initiale avait semblé être une contradiction car la plupart des autres fibres polymères se fragilisent au froid. Mais après de nombreuses années de travail sur le problème, le groupe de chercheurs a découvert que la ténacité cryogénique de la soie est basée sur ses fibrilles à l'échelle nanométrique. L'ordre et la hiérarchie sous-microscopiques permettent à une soie de résister à des températures allant jusqu'à -200 C. Et peut-être même plus bas, ce qui rendrait ces fibres de luxe naturelles classiques idéales pour des applications dans les profondeurs de l'espace extra-atmosphérique.
L'équipe interdisciplinaire a examiné le comportement et la fonction de plusieurs soies animales refroidies à une température d'azote liquide de -196 °C. Les fibres comprenaient des soies d'araignées, mais l'étude s'est concentrée sur les fibres plus épaisses et beaucoup plus commerciales du ver à soie sauvage. Antheraea pernyi .
Dans un article publié aujourd'hui dans Frontières de la chimie des matériaux , l'équipe a pu montrer non seulement « ça », mais aussi « comment » la soie augmente sa résistance dans des conditions où la plupart des matériaux deviendraient très cassants. En effet, la soie semble contredire la compréhension fondamentale de la science des polymères en ne perdant pas mais en gagnant en qualité dans des conditions vraiment froides en devenant à la fois plus résistante et plus extensible. Cette étude examine le « comment » et explique le « pourquoi ». Il s'avère que les processus sous-jacents reposent sur les nombreuses fibrilles nanométriques qui constituent le noyau d'une fibre de soie.
Conformément à la théorie traditionnelle des polymères, l'étude affirme que les fibrilles individuelles deviennent effectivement plus rigides à mesure qu'elles se refroidissent. La nouveauté et l'importance de l'étude réside dans la conclusion que ce raidissement conduit à une augmentation des frottements entre les fribrilles. Ce frottement augmente à son tour la déviation de l'énergie de fissure tout en résistant au glissement des fibrilles. Le changement de température modulerait également l'attraction entre les molécules de protéine de soie individuelles affectant à son tour les propriétés de base de chaque fibrille, qui est composé de plusieurs milliers de molécules.
Surtout, la recherche est capable de décrire le processus de durcissement aux niveaux micron et nanométrique. L'équipe conclut que toute fissure qui déchire le matériau est détournée à chaque fois qu'elle heurte une nano-fibrille, ce qui l'oblige à perdre toujours plus d'énergie dans les nombreux détours qu'elle doit franchir. Et ainsi, une fibre de soie ne se brise que lorsque les centaines ou les milliers de nanofibrilles se sont d'abord étirées puis glissées, puis toutes se sont cassées individuellement.
La découverte repousse les limites car elle a étudié un matériau dans un domaine conceptuellement difficile et technologiquement difficile qui s'étend non seulement aux échelles micronique et nanométrique, mais doit également être étudié à des températures bien inférieures à celles de n'importe quel congélateur. La taille des échelles étudiées va de la taille du micron de la fibre à la taille submicronique d'un faisceau de filaments à l'échelle nanométrique des fibrilles et enfin et surtout au niveau des structures supramoléculaires et des molécules individuelles. Dans le contexte de la science de pointe et des applications futuristes, il convient de rappeler que la soie n'est pas seulement une fibre biologique à 100%, mais aussi un produit agricole avec des millénaires de R&D.
Il semblerait que cette étude ait des implications de grande envergure en suggérant un large éventail de nouvelles applications pour les soies, allant de nouveaux matériaux à utiliser dans les régions polaires de la Terre à de nouveaux composites pour les avions légers et les cerfs-volants volant dans la strato- et la mésosphère. à, peut-être, même des toiles géantes tissées par des araignées-robots pour attraper des déchets astro dans l'espace.
Professeur Fritz Vollrath, du Département de zoologie de l'Université d'Oxford, a déclaré:"Nous envisageons que cette étude conduira à la conception et à la fabrication de nouvelles familles de filaments structurels et composites résistants utilisant à la fois des filaments naturels et inspirés de la soie pour des applications dans des conditions de froid extrême telles que l'espace."
le professeur Zhengzhong Shao, du Département des sciences macromoléculaires de l'Université Fudan de Shanghai, a déclaré : « Nous concluons que la résistance mécanique exceptionnelle de la fibre de soie à des températures cryogéniques découle de son alignement et de son orientation élevés, morphologie nanofibrillaire relativement indépendante et extensible.
Dr Juan Guan de l'Université de Beihang, À Pékin, a déclaré:"Cette étude fournit de nouvelles informations sur notre compréhension des relations structure-propriété des matériaux naturels à hautes performances qui, nous l'espérons, conduiront à la fabrication de polymères et de composites artificiels pour des applications à basse température et à fort impact."
Et le Dr Chris Holland de l'Université de Sheffield, leader d'un consortium de recherche à l'échelle européenne sur le roman, bio-fibres durables basées sur des informations sur la filature de soie naturelle a déclaré:«Les soies naturelles continuent de faire leurs preuves en tant que matériaux de référence pour la production de fibres. Le travail ici identifie que ce n'est pas seulement la chimie, mais comment les soies sont filées et en conséquence structurées, c'est le secret de leur succès.'
Les prochaines étapes de la recherche permettront de tester davantage les propriétés étonnantes. Une entreprise dérivée, Spintex Ltd, de l'Université d'Oxford, financé en partie par une subvention de l'UE H2020, explore la filature des protéines de soie à la manière de l'araignée et se concentre sur la copie des structures submicroniques des fibrilles groupées.
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