Des matières naturelles comme la peau, le cartilage et les tendons sont suffisamment résistants pour supporter notre poids corporel et nos mouvements, mais suffisamment flexible pour ne pas se fissurer facilement. Bien que nous tenions ces propriétés pour acquises, reproduire cette combinaison unique dans des matériaux synthétiques est beaucoup plus difficile qu'il n'y paraît. Maintenant, des scientifiques de l'EPFL ont développé une nouvelle façon de faire des polymères composites souples qui imitent plus fidèlement les matériaux trouvés dans le monde naturel. Leur percée, décrit dans un article paru dans Matériaux fonctionnels avancés , pourraient avoir des applications dans des domaines tels que la robotique douce et les implants prothétiques cartilagineux.

Normalement, les hydrogels synthétiques se répartissent en deux catégories de matériaux très différentes. Le premier type, qui comprend le verre à vitre et certains polymères, sont durs et porteurs mais notoirement faibles pour absorber l'énergie :même la moindre fissure peut se propager à travers la structure. Les matériaux du deuxième groupe résistent mieux à la fissuration, mais il y a un compromis :ils sont extrêmement doux—si doux, En réalité, qu'ils ne supportent pas de lourdes charges. Pourtant, certains composites naturels, fabriqués à partir d'une combinaison de matériaux biologiques et de protéines, y compris le collagène, sont à la fois solides et résistants aux fissures. Ils doivent ces propriétés à leur structure très précise, de l'échelle nano à l'échelle millimétrique :par exemple, les fibres tissées sont organisées en structures plus larges, qui à leur tour s'arrangent pour former d'autres structures, etc.

« On est encore loin de pouvoir maîtriser la structure des matériaux synthétiques à autant d'échelles différentes, " dit Esther Amstad, professeur assistant au Laboratoire des matériaux souples de l'EPFL et auteur principal de l'article. Pourtant, Matteo Hirsch et Alvaro Charlet, deux assistants-doctorants travaillant sous la direction d'Amstad, ont imaginé une nouvelle approche de la construction de composites synthétiques, en s'inspirant du monde naturel. "Dans la nature, les blocs de construction de base sont encapsulés dans des compartiments, qui sont ensuite libérés de manière très localisée, " explique Amstad. " Ce processus permet de mieux contrôler la structure finale et la composition locale d'un matériau. Nous avons adopté une approche similaire, organiser nos propres blocs de construction dans des compartiments puis les assembler en une superstructure. »

D'abord, les scientifiques ont encapsulé des monomères dans des gouttelettes d'une émulsion eau-huile, qui servent de compartiments. A l'intérieur des gouttelettes, les monomères se lient pour former un réseau de polymères. À ce point, les microparticules sont stables mais les interactions entre elles sont faibles, ce qui signifie que le matériau ne tient pas bien ensemble. Prochain, les microparticules - qui sont très poreuses comme des éponges - ont été trempées dans un autre type de monomère avant que le matériau ne soit réduit pour former une sorte de pâte. Son apparence, comme le dit Alvaro Charlet, est "un peu comme du sable humide qui peut être façonné en château de sable".

Les scientifiques ont ensuite imprimé la pâte en 3D et l'ont exposée aux rayons UV. Cela a provoqué la polymérisation des monomères ajoutés à la deuxième étape. Ces nouveaux polymères entrelacés avec ceux formés plus tôt dans le processus, durcissant ainsi la pâte. Il en est résulté un exceptionnellement fort, matériau résistant. L'équipe de recherche a montré qu'un tube mesurant seulement 3 mm de diamètre peut supporter une charge de traction allant jusqu'à 10 kg et une charge de compression allant jusqu'à 80 kg sans endommager son intégrité structurelle.

Leur découverte a des utilisations potentielles en robotique douce, où les matériaux qui imitent les propriétés des tissus vivants sont très recherchés. Le processus révolutionnaire pourrait également être appliqué pour développer des matériaux biocompatibles pour les implants prothétiques cartilagineux.