Imaginez que vous êtes un astronaute en sortie dans l'espace. Vous faites votre travail quand soudain vous recevez une alerte :votre combinaison perd de l'oxygène. Quelque part il y a un trou dans ton costume, un trou si petit qu'on ne le trouve pas.

Certains matériaux ne doivent pas casser car les résultats seraient catastrophiques. Et si au lieu de casser, ces matériaux pourraient durcir à un point faible ? Et si ce trou dans votre combinaison d'astronaute pouvait se guérir tout seul ?

Les systèmes biologiques gèrent ce problème tout le temps. Parfois, les doigts ont des callosités pour ne pas se couper. Les callosités se forment lorsque le stress répété provoque le durcissement de la peau. La peau dure offre une résistance à la rupture. Mais parfois, les doigts se coupent et la peau se régénère en formant une croûte à la surface.

« Comment l'appareil sait-il quoi faire repousser et réparer ? » demande Rebecca Schulman de l'Université Johns Hopkins. « Est-il possible d'éviter complètement le problème d'auto-guérison ? » Cette dernière question est la même que celle que demande la peau :avez-vous besoin de former une callosité ou une croûte ?

L'avenir de la science des matériaux couvre un large éventail d'applications :des batteries qui s'auto-réparent, des éoliennes suffisamment robustes pour résister aux forces extrêmes qui leur sont imposées, ou des appareils durables qui ne nécessitent que le remplacement de petites pièces de temps en temps. Avant d'accéder à ces applications, il faut répondre à ces questions scientifiques fondamentales. Ces questions sont l'une des raisons pour lesquelles le ministère de l'Énergie (DOE) soutient la recherche dans ce domaine dans les universités et les laboratoires nationaux du pays.

Prenez une centrale nucléaire. Les matériaux de construction autour du cœur du réacteur doivent résister à une chaleur extrême et à un rayonnement extrême. Si les matériaux de construction autour des centrales électriques pouvaient réagir et se corriger en cas de forte chaleur ou de rayonnement, alors ils pourraient réparer les dégâts avant qu'ils ne deviennent un problème.

"Les matériaux sont au cœur de nous aider à gérer notre consommation d'énergie et à rendre les choses durables, " a déclaré Michael Strano du Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui dirige un effort du DOE au MIT sur les matériaux d'auto-guérison qui utilisent le dioxyde de carbone atmosphérique.

Il est souhaitable d'éviter le remplacement complet des matériaux non seulement du point de vue de la rentabilité, mais aussi du point de vue de la durabilité. « En tant que science, nous voulons fabriquer de meilleurs matériaux et de meilleures choses, " a déclaré Tomonori Saito du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du DOE.

De meilleurs matériaux signifient moins de déchets et moins de besoin de remplacer les articles cassés et défunts. La difficulté vient quand on essaie de faire synthétiquement ce que la nature fait sans réfléchir. En général, il y a deux manières d'aborder ce problème :rendre les matériaux résistants pour qu'ils ne se cassent pas, ou fabriquer des matériaux qui se guérissent d'eux-mêmes lorsqu'ils se cassent.

Prévenir la casse

Une approche consiste à ce que les matériaux réagissent à un facteur de stress constant dans l'environnement. Disons que vous frappez à plusieurs reprises une vitre avec un marteau. Et si le verre « savait » se renforcer avant de se briser ? Le même type de procédé pourrait être appliqué à des domaines de matériaux souples, comme les genoux de ton jean. Au fur et à mesure que le stress répété se produit, comme plier les genoux en marchant, le matériau s'épaissit autour de l'articulation et se renforce. Ce processus commence par l'examen des mécanismes d'autocorrection et de protection présents dans le monde naturel.

"Quand les biologistes ou les biophysiciens comprennent l'échelle moléculaire [du système], nous voyons cela et pensons, « Oh, c'est cool. Pouvons-nous concevoir un système synthétique ? », a déclaré Zhibin Guan de l'Université de Californie, Irvine.

L'échelle chimique ou cellulaire raconte une histoire vibrante sur le processus des systèmes se corrigeant et, parfois, se protéger.

« En biologie, de nombreux systèmes ont une connexion de gradient des tissus durs aux tissus mous. L'interface de hard à soft est critique, " a déclaré Guan. Sans l'interface de gradient appropriée entre les différents types de tissus, des forces extérieures importantes pourraient entraîner une rupture au niveau de la connexion. La façon dont un système s'ajuste et réagit à une force extérieure produit ce contact protecteur entre les tissus durs et mous.

L'étude de Guan a été inspirée par la peau extérieure dure d'un ver polychète. La mâchoire du ver a une peau particulièrement dure. La transition du corps mou du ver à la peau extérieure dure a intrigué le groupe de recherche de Guan. L'interface dure se produit en augmentant la liaison chimique entre les protéines et les ions métalliques dans la mâchoire du ver. Par collage sélectif, la mâchoire se durcit, ce qui la rend capable de résister à la force d'une morsure.

Guan étudie cette interface entre les tissus durs et mous pour la reproduire dans des matériaux synthétiques. Dans le laboratoire, ils prennent des polymères constitués de longs, répéter des structures chimiques et introduire des ions métalliques pour simuler la composition de la mâchoire du ver. Si le matériau peut détecter la zone affaiblie et y réagir chimiquement, renforcer le point de faiblesse, le matériau ne se cassera pas.

Au début, la tache affaiblie se forme lorsque des micro-dommages se produisent. Dans la mâchoire du ver et dans les matériaux synthétiques, ces dommages se produisent au niveau moléculaire. Le stress provoque la rupture de petites liaisons entre les ions métalliques et les protéines. Ces obligations, ténu pour commencer, parfois réformer.

La difficulté survient lorsque l'on essaie de trouver le juste milieu entre assez solide pour ne pas casser mais pas assez solide pour que le matériau devienne inflexible. Si le matériau continue de durcir sous l'effet du stress, il finira par arriver au point où il sera complètement rigide. Ensuite, il sera sujet à l'échec pour une raison différente.

Idéalement, les matériaux durs inverseraient périodiquement ce processus d'épaississement pour empêcher cette rigidité de devenir permanente. Comprendre la chimie derrière les processus biologiques détient la clé pour signaler quand un matériau peut se détendre. D'ici là, la menace d'un échec catastrophique serait passée. Le matériau pourrait réagir à nouveau lorsqu'un autre facteur de stress affecte le système.

Cependant, comme l'a noté Schulman, il y a plusieurs questions auxquelles il faut répondre avant d'en arriver là. Obtenir un matériau pour répondre au stress est difficile même dans un laboratoire. Alors que les systèmes biologiques ont des méthodes en place pour communiquer les dommages, la signalisation chimique dans les systèmes synthétiques est plus difficile que dans les systèmes vivants. Les systèmes vivants ont des structures entières organisées dédiées à la signalisation. Les matériaux synthétiques sont souvent constitués d'un ou de quelques types d'unités chimiques sans aucun moyen intégré de déclencher ce durcissement. La deuxième approche consiste donc à fabriquer des matériaux qui guérissent les ruptures lorsqu'elles surviennent.

Fixer une pause

Un échec catastrophique n'a pas besoin d'être important et dramatique pour causer de sérieux problèmes. Prenons l'exemple de la combinaison spatiale. Une petite rupture dans le matériau de la combinaison peut être catastrophique pour l'astronaute; rendre la combinaison capable de se guérir présente une solution possible.

Qu'est-ce qui fait exactement qu'un matériau s'auto-cicatrise ? Comme la façon dont la peau se guérit d'elle-même, ces matériaux utilisent des propriétés chimiques pour se "guérir".

En matières synthétiques, l'auto-guérison implique la réparation. Les liaisons chimiques doivent pouvoir se reformer, surtout après des échecs catastrophiques. Une fois que les dommages provoquent la défaillance du matériau, il devrait être capable de se recoudre comme le fait une plaie sur la peau.

Ce type de réparation se produit au niveau moléculaire. Les recherches de Saito se concentrent sur le développement de romans, polymères auto-cicatrisants et visant à comprendre cette réponse chimique. Saito prend une feuille d'un polymère spécialement préparé et la déchire. Au niveau chimique, ces polymères agissent pour reformer les liaisons et se coudre ensemble. La clé est de comprendre le déclencheur chimique qui leur dit de se coudre ensemble.

Pour l'utiliser synthétiquement, Schulman s'inspire des cellules. "Les cellules communiquent sur ce qui doit être dans un endroit particulier, " a-t-elle dit. " Ils utilisent la signalisation sans fil grâce à des produits chimiques. "

Traduire cette réaction à l'échelle du système en un matériau synthétique a été un défi. Alors que dans les systèmes biologiques tout un réseau de signaux réagit aux ruptures, un polymère synthétique est généralement composé de quelques composants seulement. Comment le matériau pourrait communiquer avec les composants chimiques pour se recoudre est une proposition particulièrement difficile. Le matériau devrait détecter les dommages ou les bris et réagir en conséquence.

Schulman a noté que les matériaux synthétiques n'ont pas la résilience des systèmes biologiques. Quand une pièce échoue, l'ensemble du système échoue souvent. "Les cellules pourraient vivre toute la vie de l'organisme, mais les protéines se retournent plusieurs fois à l'intérieur de la cellule, " elle a dit.

Alors que la science des matériaux axée sur l'auto-guérison se concentre sur ce niveau chimique extrême, la vue d'ensemble montre les applications des matériaux d'auto-guérison et la façon dont ces choses peuvent changer même des idées fondamentales sur le fonctionnement de l'infrastructure.

Strano aime comparer les possibilités des matériaux d'auto-guérison à la façon dont un tronc d'arbre pousse. Les arbres respirent le dioxyde de carbone et les nutriments du sol et les utilisent pour construire le tronc. En tirant leurs matériaux de construction de l'air, ils ont un accès constant.

"Le matériau peut devenir plus résistant avec le temps, " dit Strano. Quand les matériaux sont entourés de leurs matériaux de construction, il peut n'y avoir aucune limite à combien de temps ils peuvent durer.