Les araignées et les vers à soie sont des maîtres de la science des matériaux, mais les scientifiques rattrapent enfin leur retard. Les soies sont parmi les matériaux les plus résistants connus, plus fort et moins cassant, livre pour livre, que l'acier. Maintenant, les scientifiques du MIT ont percé certains de leurs secrets les plus profonds dans la recherche qui pourraient ouvrir la voie à la création de matériaux synthétiques qui dupliquent, voire dépasser, les propriétés extraordinaires de la soie naturelle.
Markus Buehler, le professeur agrégé Esther et Harold E. Edgerton au département de génie civil et environnemental du MIT, et son équipe étudient les propriétés fondamentales des matériaux et comment ces matériaux échouent. Avec de la soie, cela signifiait utiliser des modèles informatiques capables de simuler non seulement les structures des molécules, mais également la manière dont elles se déplacent et interagissent les unes par rapport aux autres. Les modèles ont aidé les chercheurs à déterminer les mécanismes moléculaires et atomiques responsables des propriétés mécaniques remarquables du matériau.
La combinaison de résistance et de ductilité de la soie - sa capacité à se plier ou à s'étirer sans se casser - résulte d'un arrangement inhabituel de liaisons atomiques qui sont intrinsèquement très faibles, Buehler et son équipe ont trouvé. Doctorant Sinan Keten, l'associé postdoctoral Zhiping Xu et l'étudiante de premier cycle Britni Ihle sont co-auteurs d'un article sur la recherche qui sera publié le 14 mars dans la revue Matériaux naturels .
Les soies sont fabriquées à partir de protéines, y compris certains qui forment mince, cristaux planaires appelés feuillets bêta. Ces feuilles sont reliées les unes aux autres par des liaisons hydrogène - parmi les types de liaisons chimiques les plus faibles, contrairement à, par exemple, les liaisons covalentes beaucoup plus fortes trouvées dans la plupart des molécules organiques. L'équipe de Buehler a réalisé une série de simulations informatiques au niveau atomique qui ont étudié les mécanismes de défaillance moléculaire de la soie. "De petits cristaux rigides ont montré la capacité de reformer rapidement leurs liaisons brisées, et par conséquent échouer « gracieusement » - c'est-à-dire, progressivement plutôt que soudainement, ", explique l'étudiant diplômé Keten.
"Dans la plupart des matériaux d'ingénierie" - céramique, par exemple — « une haute résistance s'accompagne de fragilité, " dit Buehler. " Une fois la ductilité introduite, les matériaux s'affaiblissent." Mais pas la soie, qui a une résistance élevée malgré sa construction à partir de blocs de construction intrinsèquement faibles. Il s'avère que c'est parce que ces blocs de construction - les minuscules cristaux de feuille bêta, ainsi que les filaments qui les relient - sont disposés dans une structure qui ressemble à une grande pile de crêpes, mais avec les structures cristallines à l'intérieur de chaque galette alternant dans leur orientation. Cette géométrie particulière de minuscules nanocristaux de soie permet aux liaisons hydrogène de fonctionner en coopération, renforcer les chaînes adjacentes contre les forces extérieures, ce qui conduit à l'extensibilité et à la résistance exceptionnelles de la soie d'araignée.
Une découverte surprenante du nouveau travail est qu'il existe une dépendance critique des propriétés de la soie sur la taille exacte de ces cristaux de feuille bêta dans les fibres. Lorsque la taille du cristal est d'environ trois nanomètres, le matériau a ses caractéristiques ultra-résistantes et ductiles. Mais laissez ces cristaux croître juste au-delà de cinq nanomètres, et le matériau devient faible et cassant.
Buehler dit que le travail a des implications bien au-delà de la simple compréhension de la soie. Il note que les résultats pourraient être appliqués à une classe plus large de matériel biologique, comme le bois ou les fibres végétales, et matériaux bio-inspirés, telles que les nouvelles fibres, fils et tissus ou matériaux de remplacement des tissus, produire une variété de matériaux utiles à partir de simples, éléments banals. Par exemple, lui et son équipe étudient la possibilité de synthétiser des matériaux ayant une structure similaire à la soie, mais en utilisant des molécules qui ont intrinsèquement une plus grande force, comme les nanotubes de carbone.
L'impact à long terme de cette recherche, Buehler dit, sera le développement d'un nouveau paradigme de conception de matériaux qui permet la création de matériaux hautement fonctionnels à partir d'abondants, matériaux bon marché. Cela s'écarterait de l'approche actuelle, où des liens forts, composants coûteux, et des traitements énergivores (à haute température) sont utilisés pour obtenir des matériaux de haute performance.
Peter Fratzl, professeur au département des biomatériaux de l'institut Max Planck des colloïdes et interfaces de Potsdam, Allemagne, qui n'a pas participé à ce travail, dit que "la force de cette équipe est leur approche théorique multi-échelle pionnière" pour analyser les matériaux naturels. Il ajoute que c'est « la première preuve de la modélisation théorique de la façon dont les liaisons hydrogène, aussi faibles qu'ils soient, peut fournir une résistance et une ténacité élevées s'il est disposé de manière appropriée dans le matériau."
Professeur de biomatériaux Thomas Scheibel de l'Université de Bayreuth, Allemagne, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail, dit que le travail de Buehler est du « plus haut calibre, " et stimulera de nombreuses recherches. L'approche de l'équipe du MIT, il dit, "fournira une base pour une meilleure compréhension de certains phénomènes biologiques jusqu'ici non compris."
