Dans des recherches qui pourraient éclairer les futurs nanomatériaux hautes performances, une équipe dirigée par l'Université du Michigan a découvert pour la première fois comment les mollusques construisent des structures ultradurables avec un niveau de symétrie qui dépasse tout le reste du monde naturel, à l'exception des atomes individuels.

"Nous, les humains, avec tout notre accès à la technologie, ne pouvons pas créer quelque chose avec une architecture à l'échelle nanométrique aussi complexe qu'une perle", a déclaré Robert Hovden, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UM et auteur de l'article. "Nous pouvons donc apprendre beaucoup en étudiant comment les perles passent du néant désordonné à cette structure remarquablement symétrique."

L'analyse a été réalisée en collaboration avec des chercheurs de l'Australian National University, du Lawrence Berkeley National Laboratory, de la Western Norway University et de l'Université Cornell.

Publié dans les Actes de l'Académie nationale des sciences , l'étude a révélé que la symétrie d'une perle devient de plus en plus précise à mesure qu'elle se construit, répondant à des questions séculaires sur la façon dont le désordre en son centre devient une sorte de perfection.

Des couches de nacre, le composite organique-inorganique irisé et extrêmement durable qui compose également les coquilles d'huîtres et d'autres mollusques, reposent sur un éclat d'aragonite qui entoure un centre organique. Les couches, qui représentent plus de 90 % du volume d'une perle, deviennent progressivement plus fines et plus étroitement appariées à mesure qu'elles se développent à partir du centre.

La découverte la plus surprenante est peut-être que les mollusques maintiennent la symétrie de leurs perles en ajustant l'épaisseur de chaque couche de nacre. Si une couche est plus épaisse, la suivante a tendance à être plus fine, et vice versa. La perle illustrée dans l'étude contient 2 615 couches de nacre finement assorties, déposées sur 548 jours.

"Ces couches minces et lisses de nacre ressemblent un peu à des draps de lit, avec de la matière organique entre les deux", a déclaré Hovden. "Il y a une interaction entre chaque couche, et nous émettons l'hypothèse que cette interaction est ce qui permet au système de corriger au fur et à mesure."

L'équipe a également découvert des détails sur le fonctionnement de l'interaction entre les couches. Une analyse mathématique des couches de la perle montre qu'elles suivent un phénomène connu sous le nom de "bruit 1/f", où une série d'événements qui semblent aléatoires sont connectés, chaque nouvel événement étant influencé par celui qui le précède. Il a été démontré que le bruit 1/f régit une grande variété de processus naturels et artificiels, notamment l'activité sismique, les marchés économiques, l'électricité, la physique et même la musique classique.

"Lorsque vous lancez des dés, par exemple, chaque lancer est complètement indépendant et déconnecté de tous les autres lancers. Mais le bruit 1/f est différent en ce que chaque événement est lié", a déclaré Hovden. "Nous ne pouvons pas le prédire, mais nous pouvons voir une structure dans le chaos. Et au sein de cette structure se trouvent des mécanismes complexes qui permettent aux milliers de couches de nacre d'une perle de fusionner vers l'ordre et la précision."

L'équipe a découvert que les perles manquent d'un véritable ordre à long terme, le type de symétrie soigneusement planifiée qui maintient la cohérence des centaines de couches dans les bâtiments en briques. Au lieu de cela, les perles présentent un ordre à moyenne portée, conservant la symétrie pour environ 20 couches à la fois. Cela suffit pour maintenir la cohérence et la durabilité sur les milliers de couches qui composent une perle.

L'équipe a rassemblé ses observations en étudiant les perles Akoya "keshi", produites par l'huître Pinctada imbricata fucata près de la côte est de l'Australie. Ils ont sélectionné ces perles particulières, qui mesurent environ 50 millimètres de diamètre, car elles se forment naturellement, contrairement aux perles de culture perlées, qui ont un centre artificiel. Chaque perle a été découpée à la scie à fil diamanté en tronçons de trois à cinq millimètres de diamètre, puis polie et examinée au microscope électronique.

Hovden affirme que les résultats de l'étude pourraient aider à façonner les matériaux de nouvelle génération avec une architecture à l'échelle nanométrique en couches précises.

"Lorsque nous construisons quelque chose comme un bâtiment en briques, nous pouvons intégrer la périodicité grâce à une planification, une mesure et une modélisation minutieuses", a-t-il déclaré. "Les mollusques peuvent obtenir des résultats similaires à l'échelle nanométrique en utilisant une stratégie différente. Nous avons donc beaucoup à apprendre d'eux, et cette connaissance pourrait nous aider à fabriquer des matériaux plus solides et plus légers à l'avenir." + Explorer plus loin

Le nouveau matériau imite la résistance et la ténacité de la nacre