Les épines des oursins sont principalement constituées de calcite, mais les épines sont beaucoup plus durables que cette matière première seule. La raison de leur force est la façon dont la nature optimise les matériaux en utilisant une architecture de style mur de briques. Une équipe de recherche dirigée par le professeur Helmut Cölfen a réussi à synthétiser du ciment au niveau nano selon ce principe de « brique et mortier ». Au cours de ce processus, des macromolécules ont été identifiées qui assument la fonction de mortier, fixer les blocs cristallins les uns aux autres à l'échelle nanométrique, avec les blocs s'assemblant de manière ordonnée. L'objectif est de rendre le ciment plus durable. Les résultats de l'étude sont publiés dans le numéro du 1er décembre 2017 de Avancées scientifiques .

"Notre ciment, qui est nettement plus résistant aux fractures que tout ce qui a été développé jusqu'à présent, nous offre de toutes nouvelles possibilités de construction, " dit Cölfen. Un pilier fait de ce ciment pourrait être construit 8, 000 mètres de haut, soit dix fois plus haut que l'actuel plus haut bâtiment du monde, avant que le matériau à sa base ne soit détruit par son poids. Acier normal, qui a une valeur de 250 mégapascals, ne pouvait atteindre que 3, 000 mètres d'altitude.

En nanosciences, l'architecture de style mur de briques peut être comparée au travail d'un maçon :chaque couche de brique qui est posée est maintenue en place par du mortier. Le principe directeur est de superposer dur, puis doux, dur, puis des matières souples. C'est exactement le principe que la nature utilise pour rendre les épines d'oursins si résistantes. Lorsqu'une force est appliquée à la calcite fragile, son bloc cristallin se fissure, cependant, l'énergie est ensuite transférée à une couche désordonnée douce. Étant donné que ce matériau n'a pas de plans de clivage à déchirer, il empêche d'autres fissures. Une fine section d'épine d'oursin révèle ce principe structurel :les blocs cristallins d'une structure ordonnée sont entourés d'une zone amorphe plus douce. Dans le cas de l'oursin, ce matériau est du carbonate de calcium.

Les coquilles ou les os de moules sont construits à peu près de la même manière. "Notre objectif est d'apprendre de la nature, " déclare Helmut Cölfen. Le chercheur a été récompensé à de nombreuses reprises pour ses résultats précurseurs dans le domaine de la cristallisation, avec, par exemple, le Prix de l'Académie 2013 de l'Académie des sciences et des lettres de Berlin-Brandebourg. La bionique ou biomimétique est le terme utilisé pour utiliser des phénomènes naturels pour inspirer des développements techniques.

Le ciment lui-même a une structure désordonnée - chaque composant colle à tous les autres. Cela signifie que pour que le ciment profite véritablement de la stabilité accrue offerte par la construction en brique et mortier, sa structure devra être réorganisée au niveau nano. Helmut Cölfen décrit le processus comme "le codage de la résistance à la fracture au niveau nano". Dans ce cas, cela signifie identifier un matériau qui se lie uniquement avec des nanoparticules de ciment et rien d'autre dans le ciment. Une dizaine de combinaisons peptidiques chargées négativement ont été identifiées qui à la fois adhèrent bien aux matériaux et les lient bien.

En collaboration avec l'Université de Stuttgart, l'équipe a pu utiliser un faisceau d'ions sous un microscope électronique pour découper une microstructure en forme de barre dans le ciment nanostructuré d'une taille de trois micromètres. Cette micro-structure a ensuite été pliée à l'aide d'un micro-manipulateur. Dès sa sortie, la micro-structure est revenue à sa position d'origine. Les valeurs mécaniques pourraient être calculées sur la base de la déformation élastique de la microstructure. Sur la base de ces calculs, le ciment optimisé a atteint une valeur de 200 mégapascals. Par comparaison :Coquilles de moules, qui sont l'étalon-or en résistance à la rupture, atteindre une valeur de 210 mégapascals, qui n'est que légèrement supérieur. Le béton couramment utilisé aujourd'hui a une valeur de deux à cinq mégapascals.

Voir les épines d'oursins et les coquilles de moules sont faites de calcite, car de grandes quantités de calcium sont disponibles dans l'eau. Helmut Cölfen explique :« Les gens ont de bien meilleurs matériaux de construction que la calcite. Si nous réussissons à concevoir les structures des matériaux et à reproduire les plans de la nature, nous pourrons également produire des matériaux beaucoup plus résistants aux fractures, des matériaux hautes performances inspirés de la nature. »