"Des conditions de rareté extrême ont permis aux matériaux naturels d'évoluer vers certains des matériaux les plus extraordinaires sur Terre, tels que de la soie d'araignée incroyablement résistante et des coquillages résistants aux chocs", a déclaré Javier Fernandez, professeur agrégé à l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD).

Tout au long de l'histoire, les scientifiques se sont toujours tournés vers la nature pour trouver l'inspiration afin de résoudre des problèmes et de développer de nouvelles technologies, depuis les machines volantes de Léonard de Vinci inspirées des oiseaux jusqu'aux maillots de bain efficaces imitant la peau de requin.

Il y a dix ans, le professeur Assoc Fernandez a proposé d'utiliser la nature non seulement comme source d'inspiration pour la science des matériaux, mais aussi comme modèle de la manière dont les molécules naturelles doivent être organisées pour recréer les propriétés extraordinaires des matériaux naturels. "Faire correspondre les molécules naturelles à leur organisation native permet leur utilisation sans modification, ce qui donne lieu à des matériaux qui restent pleinement intégrés dans les cycles écologiques naturels", a-t-il ajouté.

Les recherches du professeur Assoc Fernandez en ingénierie bioinspirée se concentrent sur la chitine. En tant que deuxième molécule organique la plus abondante sur Terre, la chitine est renouvelable et fait partie de chaque cycle écologique. C'est également le matériau que la nature utilise pour produire certaines de ses structures les plus exceptionnelles, comme les ailes légères et rigides d'un insecte, l'extérieur résistant d'un coquillage et les couleurs remarquables d'un papillon. Par conséquent, son contrôle a de larges implications en ingénierie en raison de sa polyvalence et de sa durabilité.

Dans une étude antérieure, le professeur Assoc Fernandez et son équipe ont découvert que la chitine isolée peut s'agréger et créer des matériaux solides tout en conservant sa fonction optique. Leur dernière étude, « Production artificielle à grande échelle d'irisation de la cuticule des coléoptères et son utilisation dans des revêtements biodégradables conformes » s'est appuyée sur ces résultats en apprenant auprès des coléoptères comment utiliser efficacement la chitine pour produire de la couleur à grande échelle. Cependant, ils ne l'ont pas appris des coléoptères colorés.

Alors que les coléoptères vivant sur les plantes utilisent des structures complexes pour produire des couleurs vives et irisées pour de nombreuses tâches, de la communication d'informations à la confusion des prédateurs, certaines espèces de couleur foncée vivant dans des environnements cachés/sombres produisent de faibles reflets de couleur sans utilité apparente. C'est ce mécanisme qui intéresse le professeur Assoc Fernandez, car il implique des structures simples qui peuvent être facilement mises en œuvre dans les processus de fabrication.

Les coléoptères vivant dans des environnements sombres ont leur exosquelette recouvert de plis de chitine, qui les aident à se déplacer facilement dans la boue et les zones humides. Fait intéressant, lorsque ces plis se combinent avec le fond riche en mélanine responsable de leur couleur sombre, leurs cuticules deviennent irisées, reflétant différentes couleurs lorsqu'elles sont exposées à la lumière.

Les chercheurs ont constaté que la périodicité des plis n’est pas naturellement optimisée pour produire de la couleur. Cependant, l'équipe a pu l'optimiser artificiellement et a pu produire, avec ce mécanisme simplifié, des couleurs chitineuses irisées comparables à celles générées par les structures complexes des coléoptères aux couleurs vives vivant sur les feuilles.

Cette construction simple a permis à l'équipe, en seulement un an, d'augmenter la production de couleur à partir d'échantillons microscopiques utilisés comme preuve de concept, vers des films au format A4, le plus grand exemple de couleur structurelle produite avec sa molécule native à ce jour. Ces résultats sont non seulement significatifs en théorie, mais également pertinents sur le plan technologique.

"La chitine étant approuvée par la FDA pour un usage médical et cosmétique, elle constitue une alternative respectueuse de la santé et de l'environnement aux matériaux synthétiques utilisés dans ces applications", a expliqué le professeur Assoc Fernandez. En ajoutant à leurs résultats antérieurs sur l'utilisation de la chitine pour produire des consommables localement, l'équipe espère incorporer structurellement la couleur dans la fabrication générale, éliminant ainsi le besoin d'inclure des colorants artificiels.

À l'avenir, le professeur associé Fernandez considère la fabrication bioinspirée comme une synergie mutuellement bénéfique entre la biologie et la technologie, permettant l'utilisation technologique de nouveaux matériaux éclairés par des conceptions biologiques et aidant les chercheurs à créer des modèles contrôlés pour mieux comprendre les systèmes biologiques.

La recherche est publiée dans la revue Advanced Engineering Materials. .