Un nouveau matériau qui s'adapte naturellement aux environnements changeants a été inspiré par la force, stabilité, et les performances mécaniques de la mâchoire d'un ver marin. La matière protéique, qui a été conçu et modélisé par des chercheurs du Laboratoire de Mécanique Atomistique et Moléculaire (LAMM) du Département de Génie Civil et Environnemental (CEE), et synthétisé en collaboration avec l'Air Force Research Lab (AFRL) de la base aérienne de Wright-Patterson, Ohio, se dilate et se contracte en fonction de l'évolution des niveaux de pH et des concentrations d'ions. Il a été développé en étudiant comment la mâchoire de Nereis virens, un ver de sable, se forme et s'adapte à différents environnements.

Le matériau résultant sensible au pH et aux ions est capable de répondre et de réagir à son environnement. Comprendre ce processus naturel peut être particulièrement utile pour le contrôle actif du mouvement ou de la déformation des actionneurs pour la robotique douce et les capteurs sans utiliser d'alimentation externe ou de dispositifs de contrôle électroniques complexes. Il pourrait également être utilisé pour construire des structures autonomes.

"La capacité de modifier considérablement les propriétés des matériaux, en changeant sa structure hiérarchique à partir du niveau chimique, offre de nouvelles opportunités passionnantes pour régler le matériel, et de s'appuyer sur la conception des matériaux naturels vers de nouvelles applications d'ingénierie, " a écrit Markus J. Buehler, le professeur d'ingénierie McAfee, chef du CEE, et auteur principal de l'article.

La recherche, récemment publié dans ACS Nano , montre qu'en fonction des ions et des niveaux de pH dans l'environnement, la matière protéique se dilate et se contracte en différents motifs géométriques. Lorsque les conditions changent à nouveau, le matériau reprend sa forme initiale. Cela le rend particulièrement utile pour les matériaux composites intelligents avec une mécanique réglable et les roboticiens autonomes qui utilisent la valeur du pH et la condition ionique pour modifier la rigidité du matériau ou générer des déformations fonctionnelles.

Trouver l'inspiration dans le fort, mâchoire stable d'un ver marin

Afin de créer des matériaux bio-inspirés pouvant être utilisés pour la robotique douce, capteurs, et d'autres utilisations, comme celle inspirée par le Nereis, les ingénieurs et les scientifiques du LAMM et de l'AFRL devaient d'abord comprendre comment ces matériaux se forment dans le ver Nereis, et comment ils se comportent finalement dans divers environnements. Cette compréhension a impliqué le développement d'un modèle qui englobe toutes les différentes échelles de longueur du niveau atomique, et est capable de prédire le comportement du matériau. Ce modèle permet de bien comprendre le ver Nereis et sa force exceptionnelle.

"Travailler avec l'AFRL nous a donné l'opportunité de coupler nos simulations atomistiques avec des expérimentations, " a déclaré Francisco Martin-Martinez, chercheur au CEE. L'AFRL a synthétisé expérimentalement un hydrogel, un matériau semblable à un gel composé principalement d'eau, qui est composé de la protéine recombinante Nvjp-1 responsable de la stabilité structurelle et des performances mécaniques impressionnantes de la mâchoire de Nereis. L'hydrogel a été utilisé pour tester comment la protéine rétrécit et change de comportement en fonction du pH et des ions dans l'environnement.

La mâchoire de Nereis est principalement constituée de matière organique, ce qui signifie qu'il s'agit d'une matière protéique molle avec une consistance similaire à la gélatine. Malgré cela, sa force, qui a une dureté comprise entre 0,4 et 0,8 gigapascals (GPa), est similaire à celui des matériaux plus durs comme la dentine humaine. « Il est assez remarquable que cette matière protéique molle, avec une consistance proche du Jell-O, peut être aussi fort que les minéraux calcifiés que l'on trouve dans la dentine humaine et les matériaux plus durs tels que les os, " a déclaré Buehler.

Au MIT, les chercheurs ont examiné la composition de la mâchoire de Nereis à l'échelle moléculaire pour voir ce qui la rend si forte et adaptative. A cette échelle, les réticulations à coordonnées métalliques, la présence de métal dans sa structure moléculaire, fournir un réseau moléculaire qui rend le matériau plus solide et en même temps rend la liaison moléculaire plus dynamique, et finalement capable de répondre aux conditions changeantes. A l'échelle macroscopique, ces liaisons métal-protéine dynamiques entraînent un comportement d'expansion/contraction.

En combinant les études structurales des protéines de l'AFRL avec la compréhension moléculaire du LAMM, Bühler, Martin-Martinez, Chercheur scientifique du CEE Zhao Qin, et ancien doctorant Chia-Ching Chou '15, a créé un modèle multi-échelle capable de prédire le comportement mécanique des matériaux contenant cette protéine dans divers environnements. "Ces simulations atomistiques nous aident à visualiser les arrangements atomiques et les conformations moléculaires qui sous-tendent les performances mécaniques de ces matériaux, ", a déclaré Martin-Martinez.

Spécifiquement, en utilisant ce modèle, l'équipe de recherche a pu concevoir, test, et visualiser comment différents réseaux moléculaires changent et s'adaptent à différents niveaux de pH, en tenant compte des propriétés biologiques et mécaniques.

En examinant la composition moléculaire et biologique d'un Nereis virens et en utilisant le modèle prédictif du comportement mécanique du matériel protéique résultant, les chercheurs du LAMM ont pu mieux comprendre le matériel protéique à différentes échelles et fournir une compréhension globale de la façon dont ces matériaux protéiques se forment et se comportent dans différents paramètres de pH. Cette compréhension guide de nouvelles conceptions de matériaux pour les robots et les capteurs souples.

Identifier le lien entre les propriétés environnementales et le mouvement dans le matériau

Le modèle prédictif a expliqué comment les matériaux sensibles au pH changent de forme et de comportement, que les chercheurs ont utilisé pour concevoir de nouvelles structures géométriques à changement de pH. Selon la forme géométrique d'origine testée dans la matière protéique et les propriétés qui l'entourent, les chercheurs du LAMM ont découvert que le matériau soit en spirale, soit en forme de coquille de Cypraea lorsque les niveaux de pH sont modifiés. Ce ne sont là que quelques exemples du potentiel que ce nouveau matériau pourrait avoir pour le développement de robots mous, capteurs, et des structures autonomes.

En utilisant le modèle prédictif, l'équipe de recherche a découvert que le matériau change non seulement de forme, mais il revient également à sa forme d'origine lorsque les niveaux de pH changent. Au niveau moléculaire, les acides aminés histidine présents dans la protéine se lient fortement aux ions de l'environnement. Cette réaction chimique très locale entre les acides aminés et les ions métalliques a un effet sur la conformation globale de la protéine à plus grande échelle. Lorsque les conditions environnementales changent, les interactions histidine-métal changent en conséquence, qui affectent la conformation des protéines et à leur tour la réponse matérielle.

"Changer le pH ou changer les ions, c'est comme actionner un interrupteur. Vous l'allumez ou l'éteignez, selon l'environnement que vous choisissez, et l'hydrogel se dilate ou se contracte », a déclaré Martin-Martinez.

LAMM a découvert qu'au niveau moléculaire, la structure de la matière protéique est renforcée lorsque l'environnement contient des ions zinc et certains niveaux de pH. Cela crée des réticulations coordonnées métalliques plus stables dans la structure moléculaire du matériau, ce qui rend les molécules plus dynamiques et flexibles.

Cet aperçu de la conception du matériau et de sa flexibilité est extrêmement utile pour les environnements avec des niveaux de pH changeants. Sa réponse consistant à changer sa silhouette en fonction de l'évolution des niveaux d'acidité pourrait être utilisée pour la robotique douce. « La plupart des robots logiciels nécessitent une alimentation électrique pour piloter le mouvement et être contrôlés par des dispositifs électroniques complexes. Notre travail de conception de matériaux multifonctionnels peut fournir une autre voie pour contrôler directement la propriété et la déformation du matériau sans dispositifs électroniques, " dit Qin.

En étudiant et en modélisant la constitution moléculaire et le comportement de la protéine primaire responsable des propriétés mécaniques idéales pour les performances de la mâchoire Nereis, les chercheurs du LAMM sont capables de lier les propriétés environnementales au mouvement dans le matériau et ont une compréhension plus complète de la force de la mâchoire de Nereis.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.