Un arbre devient fort après des années de production de sa propre nourriture. Imaginez maintenant si les produits pouvaient être renforcés avec les mêmes matériaux vivants qui fournissent des nutriments pour renforcer les arbres. C'est le travail du professeur de génie civil et environnemental de l'USC Viterbi School of Engineering, Qiming Wang, dont le laboratoire de recherche est l'un des premiers à infuser de l'encre d'imprimante 3D avec un matériau vivant. Le matériau a le potentiel pour une plus grande résistance, être flexible et s'auto-guérir. Le travail est documenté dans un article publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

L'idée de cette encre bio-inspirée est venue d'arbres qui exploitent le pouvoir de la photosynthèse pour produire du glucose qui se transforme en cellulose et renforce la structure cellulaire de la plante. "Quand les arbres sont jeunes, " dit Wang, « ils sont flexibles, quand ils sont mûrs, ils sont rigides."

"L'idée de recherche est aussi inspirée de Popeye le Marin, le personnage animé qui peut renforcer ses muscles en mangeant des épinards, " dit Wang, dont les recherches sont axées sur la fabrication bioinspirée et la mécanique de matériaux et de structures sans précédent qui peuvent potentiellement relever des défis d'ingénierie dans les infrastructures, énergie, robotique, santé et environnement.

"Maintenant, nous utilisons l'innovation scientifique pour réaliser notre imagination d'enfant, " dit Wang.

L'équipe de recherche à l'origine de cette étude, qui comprend USC Viterbi Ph.D. les étudiants Kunhao Yu et Zhangzhengrong Feng en tant qu'auteurs principaux, ainsi que le professeur Nicholas X. Fang du Massachusetts Institute of Technology et le professeur Chiara Daraio du California Institute of Technology, utilisé une centrifugeuse pour extraire les chloroplastes des épinards achetés chez Trader Joe's. Ils ont mélangé les chloroplastes d'épinards avec une encre polymère imprimable en 3D nouvellement inventée. Ensuite, ils ont utilisé l'encre pour imprimer des structures en 3D. En appliquant de la lumière sur la structure 3-imprimée, ils ont créé des conditions pour générer du glucose à base de plantes qui réagit avec le polymère pour rendre le matériau de plus en plus résistant.

En appliquant deux à quatre heures de lumière et en imitant la puissance de la photosynthèse, les chercheurs pensent que ce "matériau vivant" peut s'auto-renforcer pour être six fois sa force d'origine. Quoi de plus, l'effet de renforcement induit par les chloroplastes vivants peut être temporairement suspendu en congelant le matériau à 0 ? (les chloroplastes sont temporairement ralentis au gel). Une fois la température revenue à la température ambiante, l'effet de renforcement peut être repris.

"La matière se comporte comme un serpent qui hiberne tout l'hiver, " dit Wang.

"Un tel "comportement de suspension" temporaire n'a jamais été démontré dans les matériaux d'ingénierie existants, " ajoute Wang.

Yu, un auteur principal sur les notes de papier, "Cette technologie avec éclairage à gradient de lumière peut créer des structures d'ingénierie avec une rigidité de gradient, qui présentent une propriété d'amortissement exceptionnelle bien au-delà de celle des homogènes.

"Une autre découverte frappante est que l'effet de renforcement peut être réglé par une force externe, " dit Feng, l'autre auteur principal de l'article.

"Quand tu accroches un poids à une branche d'arbre, cette branche deviendra beaucoup plus forte que les autres branches, un processus appelé « mécanotransduction ». Le même phénomène se produit ici.

L'équipe envisage d'appliquer la photosynthèse aux matériaux pour concevoir une semelle de baskets personnalisée imprimée en 3D qui s'adapte au pied et a une rigidité personnalisée.

Certaines plantes présentent une capacité d'auto-guérison lors de la greffe et de la réparation des plaies. Selon les chercheurs, le « matériau vivant » infusé de chloroplastes dans un laboratoire de l'USC présente également une propriété d'auto-réparation exceptionnelle. Une telle propriété est induite par le glucose produit par la photosynthèse qui crée le processus moléculaire de réticulation (essentiellement équivalent à la création de sutures). Une telle capacité de réparation des fissures pourrait être appliquée aux hélices de bateaux ou même aux drones.