Les spicules d'ancrage qui maintiennent l'espèce d'éponge Euplectella aspergillum au fond de l'océan ont une structure interne en couches complexes. Des structures en couches similaires sont connues pour augmenter la ténacité de matériaux comme l'os et la nacre. Mais cette nouvelle recherche révèle que la stratification des spicules n'améliore pas la ténacité. La recherche pourrait aider à éviter « le biomimétisme naïf, " disent les chercheurs. Crédit :Kesari Lab/Brown University
La nacre, la partie irisée des coquilles de mollusques, est une affiche pour un design d'inspiration biologique. Bien qu'il soit fait de craie cassante, la microstructure en couches complexes de la nacre lui confère une remarquable capacité à résister à la propagation des fissures, une propriété matérielle connue sous le nom de ténacité.
Les ingénieurs cherchant à concevoir des matériaux plus résistants ont longtemps cherché à imiter ce type de stratification naturelle, que l'on trouve aussi dans les conques, bois de cerf et ailleurs. Mais une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université Brown sert de mise en garde :toutes les structures en couches ne sont pas si résistantes.
L'étude, Publié dans Communication Nature , testé une autre microstructure en couches réputée pour ses propriétés physiques :les spicules d'ancrage d'une éponge de mer appelée Euplectella aspergillum. Les spicules sont de minuscules filaments de verre stratifié qui retiennent les éponges au fond de la mer. La structure en couches des spicules est souvent comparée à celle de la nacre, disent les chercheurs, et il a été supposé que la structure des spicules améliore de la même manière la ténacité. Cette nouvelle étude conclut autrement.
"Malgré les similitudes entre les architectures de nacre et les spicules d'Euplectella, nous avons constaté que l'architecture du spicule fait relativement peu en termes d'amélioration de sa ténacité, contrairement à une hypothèse de longue date, " dit Max Monn, un doctorat récemment diplômé. étudiant à Brown et co-auteur de l'étude.
Pour l'étude, les chercheurs ont comparé la ténacité des spicules d'Euplectella à celles d'une autre espèce d'éponge, Tethya aurantia. Les spicules de Tethya ont une composition chimique similaire à celle des spicules d'Euplectella mais n'ont pas la structure en couches. Pour tester la ténacité, l'équipe a mis de minuscules encoches dans les spicules, puis les a pliées. En mesurant l'énergie consommée lors de la propagation des fissures à partir des encoches sous contrainte de flexion, les chercheurs ont pu quantifier la ténacité des deux types de spicules.
Les chercheurs ont découvert que lorsque l'architecture en couches est incurvée, les fissures peuvent se propager de couche en couche. Cela annule l'amélioration de la ténacité normalement associée à la superposition de matériaux biologiques rigides. Crédit :Kesari Lab / Université Brown
Les expériences ont montré très peu de différence de ténacité entre les deux spicules, ce qui suggère que la stratification d'Euplectella n'apporte pas beaucoup d'amélioration de la ténacité. En utilisant la modélisation informatique, les chercheurs ont pu approfondir les raisons pour lesquelles la stratification améliore la ténacité de certains matériaux et pas d'autres. Les modèles ont montré que la courbure de la stratification dans les spicules cylindriques semble désactiver l'amélioration de la ténacité des structures stratifiées. Couches plates, comme ceux trouvés dans la nacre, semblent empêcher les fissures de se propager d'une couche à l'autre, disent les chercheurs. Mais dans les matériaux à couches courbes comme les spicules d'Euplectella, les fissures sont capables de sauter d'une couche à l'autre plutôt que de s'arrêter entre les couches.
Les résultats révèlent une relation jusqu'alors inconnue entre la courbure et la ténacité dans les matériaux stratifiés et ont des implications pour la conception de matériaux composites bio-inspirés, dit Haneesh Kesari, professeur adjoint à la Brown's School of Engineering et auteur principal de l'article.
"Spécifiquement, cela montre que si vous adoptez une architecture en couches afin d'améliorer la ténacité d'un matériau, vous devez faire attention aux zones qui nécessitent que les couches soient incurvées, ", a déclaré Kesari. "Nos mesures des spicules et les résultats de notre modèle informatique montrent que les couches incurvées ne fournissent pas la même amplitude d'améliorations de la ténacité que lorsque les couches sont plates."
Les résultats ne signifient pas que la structure en couches des spicules d'Euplectella n'est pas intéressante. Des travaux antérieurs du laboratoire de Kesari ont montré que la structure en couches semble augmenter considérablement la résistance à la flexion des spicules, pour résister à de grandes courbures de flexion avant de tomber en panne. Mais la résistance à la flexion et la ténacité sont des propriétés mécaniques très différentes, et aider à dissiper l'idée que la superposition améliore toujours la ténacité est un aperçu utile pour la conception bio-inspirée en général, disent les chercheurs.
"Notre étude indique que toutes les architectures en couches n'offrent pas une amélioration significative de la ténacité, " a déclaré Sayaka Kochiyama, un étudiant diplômé de Brown et co-auteur de l'étude. "Cette meilleure compréhension de la relation structure-propriété est nécessaire pour éviter le biomimétisme naïf."
