Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology, avec des collègues du Synchrotron Européen, Grenoble, La France, ont découvert comment un échinoderme appelé Ophiocoma wendtii, connue sous le nom d'étoile fragile, peut créer un matériau comme le verre trempé sous l'eau. Les résultats sont publiés dans Science et peut ouvrir de nouvelles voies bio-inspirées pour durcir les céramiques fragiles dans diverses applications allant des lentilles optiques aux turbocompresseurs automobiles et même aux implants en biomatériaux.

Des centaines de lentilles focales sont situées sur les bras de l'étoile fragile. Ces lentilles, en carbonate de calcium, sont puissants et précis, et l'étude de leur structure cristalline et nanométrique a occupé Boaz Pokroy et son équipe, du Technion-Israel Institute of Technology, depuis trois ans. Grâce aux recherches menées sur trois lignes de l'ESRF, ID22, ID13 et ID16B, entre autres laboratoires, ils ont découvert le mécanisme de protection unique des verres très résistants.

Par exemple, prendre du verre trempé. Il est produit en exerçant une pression de compression sur le verre qui le comprime et le laisse plus compact qu'à l'état naturel. La trempe du verre est réalisée en chauffant rapidement puis en refroidissant rapidement le matériau. Dans ce processus, l'extérieur du matériau se refroidit plus rapidement que l'intérieur et comprime ainsi l'intérieur. Les lentilles Ophiocoma wendtii sont créées en pleine mer, à température ambiante, contrairement au verre trempé. "Nous avons découvert une stratégie pour rendre les matériaux fragiles beaucoup plus durables dans des conditions naturelles. C'est "l'ingénierie du cristal, " et revenu sans chauffage ni trempe, un procédé qui pourrait être très utile en génie des matériaux, " explique Pokroy.

La formation de lentilles de calcite a été découverte grâce à une longue série d'expériences à l'ESRF, et le microscope électronique à transmission Titan au Technion. "Lorsque nous sommes arrivés à l'ESRF, nous ne nous attendions pas à ce que nos recherches atteignent ces résultats, " dit Pokroy. L'équipe est arrivée en premier à ID22, où ils ont utilisé la diffraction des rayons X sur poudre pour examiner le matériau sous forme de poudre tout en le chauffant. "Nous avons compris que nous avions des nanodomaines après cette expérience, nous avons donc fait de la microscopie électronique à transmission à la maison, puis venu à ID13 pour cartographier les nanodomaines et enfin à ID16 pour faire de la tomographie sur la façon dont les différentes particules s'arrangent dans différentes couches, " il ajoute.

Les chercheurs internationaux ont découvert que l'étape cruciale du processus de formation du cristallin est la transition de la phase amorphe - la phase entre le liquide et le solide - à la phase cristalline. À ce stade, nanoparticules de calcite, qui sont riches en magnésium et caractérisés par une densité relativement faible, séparé du reste du matériel. La différence de concentration de magnésium dans les particules de calcite provoque divers degrés de dureté, densité, et la pression dans différentes régions du matériau. Des particules riches en magnésium appuient sur la partie interne de la lentille pendant qu'elle se cristallise et la « tempèrent » en un matériau cristallin clair et résistant.

"La nature fait preuve d'une formidable créativité pour améliorer les capacités de l'organisme dans divers contextes tels que la force, sentir, et l'autodéfense. Ici, trop, en train de créer des verres transparents robustes et précis, nous constatons une énorme efficacité dans l'utilisation des matières premières existantes dans des conditions dans l'environnement naturel. » Les ingénieurs peuvent désormais utiliser cette biostratégie nouvellement découverte pour durcir et renforcer les matériaux céramiques synthétiques dans diverses applications allant des lentilles optiques aux turbocompresseurs automobiles et même aux implants de biomatériaux.