La nature a un très gros avantage sur toute équipe de recherche humaine :beaucoup de temps. Des milliards d'années, En réalité. Et pendant tout ce temps, il a produit des matériaux vraiment étonnants - en utilisant des blocs de construction faibles que les ingénieurs humains n'ont pas encore compris comment utiliser pour des applications de haute technologie, et avec de nombreuses propriétés que les humains doivent encore trouver des moyens de dupliquer.

Mais maintenant, un certain nombre de chercheurs tels que le professeur du MIT Markus Buehler ont commencé à démêler ces processus à un niveau profond, non seulement découvrir comment les matériaux se comportent, mais quelles sont les caractéristiques structurelles et chimiques essentielles qui leur confèrent leurs propriétés uniques. À l'avenir, ils espèrent imiter ces structures de manière à produire des résultats encore meilleurs.

Tout se résume à l'assemblage de structures complexes à partir de petites, blocs de construction simples, Buehler explique. Il aime utiliser une analogie musicale :une symphonie comprend de nombreux instruments différents, dont chacun à lui seul ne pourrait jamais produire quelque chose d'aussi grand et complexe que les riches combinés, expérience musicale complète. D'une manière similaire, il espère construire des matériaux complexes avec des propriétés auparavant indisponibles en utilisant des blocs de construction simples assemblés de manière à emprunter à ceux utilisés par la nature.

Ingénieurs humains, il explique, ont au moins un avantage important sur la nature :ils peuvent choisir leurs matériaux. La nature, par contre, doit souvent se contenter de tout ce qui est facilement disponible localement, et quelles que soient les structures qui ont été créées par les longs essais et erreurs de l'évolution. « Une araignée ou une cellule, " Buehler dit, « n'a pas de grandes ressources. Il ne peut pas importer de matériaux, il utilise ce qui est disponible.

Dans les matières biologiques telles que la soie d'araignée, la géométrie des structures fait toute la différence. Soie, un sujet d'études antérieures par Buehler et ses collègues, est composé de molécules qui sont, en eux-mêmes, intrinsèquement faible, mais les molécules de base en forme de disque sont combinées en petits empilements, qui sont à leur tour combinés en fibres réticulées d'une manière qui rend l'ensemble beaucoup plus résistant que ses composants. Les ingénieurs pourraient apprendre une chose ou deux de telles structures, Buehler suggère, avec leurs différentes dispositions à différentes échelles. « Si nous trouvons comment concevoir des choses à plusieurs échelles, nous n'avons pas besoin de blocs de construction sophistiqués, " dit-il.

Peter Fratzl, un scientifique des matériaux au Max Planck Institute of Colloids and Interfaces en Allemagne, voit une grande promesse dans cette approche. « Ce n'est pas tant la composition chimique qui compte vraiment, mais la manière dont les composants (qui peuvent être intrinsèquement pauvres) sont assemblés, " dit-il. « Démêler ces principes structurels nécessite des approches expérimentales et théoriques couvrant de nombreuses échelles de longueur, de la taille des molécules aux organes complets. la recherche a été principalement du côté théorique, mais Buehler et d'autres espèrent également procéder à des travaux expérimentaux.

Cette approche de conception tient non seulement la promesse de créer des matériaux avec de grandes qualités de résistance, ou l'extensibilité, ou ayant des propriétés optiques ou électriques utiles, mais aussi pour l'utilisation de matériaux aujourd'hui considérés comme peu utiles, voire des déchets.

Structures hiérarchiques

La clé pour fabriquer des matériaux solides à partir de composants faibles, Buehler a trouvé, réside dans la façon dont les petits morceaux sont disposés en de plus grands motifs de différentes manières à différentes échelles - en d'autres termes, dans un ensemble hiérarchique de structures. « Ce paradigme, la formation de structures distinctes à plusieurs échelles de longueur, permet aux matériaux biologiques de surmonter les faiblesses intrinsèques des briques élémentaires, », a-t-il écrit dans un article paru ce mois-ci dans le journal Nano aujourd'hui .

La plupart des matériaux de structure conçus par des personnes, d'autre part — l'acier, briques, mortier - ont des structures simples qui ne varient pas avec l'échelle, bien que certains matériaux composites et structures construits à partir de composants tels que les nanotubes de carbone commencent à mettre en œuvre au moins une certaine différenciation de structure avec l'échelle. Mais Buehler y voit un domaine qui est mûr pour de nouveaux designs beaucoup plus sophistiqués et complexes.

Buehler suggère que tout comme la biologie l'a fait, les humains pourraient fabriquer des matériaux avec des propriétés souhaitées telles que la résistance ou la flexibilité en utilisant des matériaux abondants et bon marché tels que la silice, qui en vrac est cassant et faible. « La conception des structures hiérarchiques pourrait être la clé pour surmonter leur faiblesse ou fragilité intrinsèque, propriétés qui empêchent actuellement leur application technologique généralisée, », a-t-il écrit dans le journal Nano Today. En utilisant des structures intelligemment conçues, Il suggère, les humains devraient être capables de produire des matériaux avec presque tous les types de propriétés souhaitées, même en utilisant un nombre très limité, et un ensemble "presque arbitraire" de composants.

« Nous essayons de développer des modèles informatiques, " dit-il, « pour que nous puissions faire des prédictions » sur les propriétés des matériaux construits d'une manière qui n'a jamais été faite auparavant. « En tant qu'ingénieurs, nous avons des modèles pour savoir comment faire une voiture, ou un immeuble, " dit-il. Mais pour concevoir les structures de base de nouveaux matériaux, la technologie d'aujourd'hui « est vraiment à un stade infantile. » Mais à mesure que de tels modèles sont développés, dit-il avec assurance, « nous pouvons faire beaucoup mieux que la biologie ».