La soie de la modeste araignée possède des propriétés assez impressionnantes. C'est l'un des matériaux les plus solides que l'on trouve dans la nature, plus résistant que l'acier et plus résistant que le Kevlar. Il peut être étiré plusieurs fois avant sa rupture. Pour ces raisons, répliquer la soie d'araignée dans le laboratoire est une obsession pour les scientifiques des matériaux depuis des décennies.
Contenu connexe
- Les dents des escargots bat la soie d'araignée comme matériau le plus résistant de la nature
- Spider Silk pourrait-il arrêter un train en marche?
Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont créé un nouveau matériau qui imite la résistance, l'étirement et la capacité d'absorption d'énergie de la soie d'araignée. Ce matériau offre la possibilité d'améliorer les produits allant des casques de vélo aux parachutes, en passant par les gilets pare-balles et les ailes d'avion. Peut-être sa propriété la plus impressionnante? C'est 98 pour cent d'eau.
«Les araignées sont des modèles intéressants car elles sont capables de produire ces superbes fibres de soie à la température ambiante en utilisant de l'eau comme solvant», explique Darshil Shah, ingénieur au Centre pour l'innovation des matériaux naturels à Cambridge. "Ce processus araignées ont évolué au cours des centaines de millions d'années, mais nous avons été incapables de copier jusqu'à présent."
Les fibres fabriquées en laboratoire sont fabriquées à partir d'un matériau appelé hydrogel, composé à 98% d'eau et à 2% de silice et de cellulose, ces deux dernières étant maintenues ensemble par des cucurbituriles, des molécules qui servent de «menottes». Les fibres de silice et de cellulose peuvent de l'hydrogel. Après environ 30 secondes, l’eau s’évapore, ne laissant que le fil fort et extensible.
Les fibres sont extrêmement résistantes - bien que pas tout à fait aussi résistantes que les soies d'araignées les plus résistantes - et, de manière significative, elles peuvent être fabriquées à la température ambiante sans solvants chimiques. Cela signifie que si elles peuvent être produites à grande échelle, elles ont un avantage sur d'autres fibres synthétiques telles que le nylon, qui nécessitent des températures extrêmement élevées pour la filature, faisant de la production textile l'une des industries les plus sales du monde. La soie d'araignée artificielle est également complètement biodégradable. Et comme il est fabriqué à partir de matériaux courants et facilement accessibles - principalement de l’eau, de la silice et de la cellulose - il est potentiellement abordable.
Parce que le matériau peut absorber beaucoup d’énergie, il pourrait potentiellement être utilisé comme tissu protecteur.
«Les araignées ont besoin de cette capacité d'absorption, car lorsqu'un oiseau ou une mouche frappe leur toile, il doit être capable de l'absorber, sinon cela va casser», dit Shah. "Donc, des choses comme des vêtements militaires de protection résistant aux éclats d'obus ou d'autres vêtements de protection, ce serait une application intéressante."
Parmi les autres applications potentielles, citons la toile à voile, la toile de parachute, le matériel pour montgolfière et les casques de vélo ou de planche à roulettes. Le matériau est biocompatible, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé à l'intérieur du corps humain pour des tâches telles que des points de suture.
Les fibres pourraient également être modifiées de différentes manières, dit Shah. Le remplacement de la cellulose par divers polymères pourrait transformer la soie en un matériau totalement différent. La méthode de base pourrait être reproduite pour produire des versions de nombreux tissus ne nécessitant pas de solvants chimiques à basse température.
«C'est une méthode générique pour fabriquer toutes les fibres, pour transformer toute forme de fibre [artificielle] en vert», explique Shah.
Shah et son équipe sont loin d'être les seuls scientifiques à avoir travaillé à la création de soie artificielle d'araignée. Contrairement aux vers à soie, qui peuvent être cultivés pour leur soie, les araignées sont des cannibales qui ne toléreraient pas la proximité nécessaire pour l'agriculture. Se tourner vers le laboratoire est donc le seul moyen d'obtenir des quantités importantes de matériel. Toutes les deux ou trois années, les gros titres font état de nouvelles avancées dans le processus. Une équipe allemande a modifié la bactérie E-coli pour produire des molécules de soie d'araignée. Des scientifiques de l’Utah State University ont élevé des «chèvres araignées» génétiquement modifiées afin de produire des protéines de soie dans leur lait. L'armée américaine teste de la «soie de dragon» produite via des vers à soie modifiés pour utilisation dans des gilets pare-balles. Plus tôt cette année, des chercheurs de l’Institut Karolinska en Suède ont publié un document sur une nouvelle méthode d’utilisation des bactéries pour la production de protéines de soie d’araignée de manière potentiellement durable et évolutive. Et ce printemps, la start-up californienne Bolt Threads a lancé ses cravates en soie d'araignée au génie biologique au festival SXSW. Leur produit est fabriqué selon un processus de fermentation de levure qui produit des protéines de soie, qui passent ensuite par un processus d’extrusion pour devenir des fibres. C'est assez prometteur d'avoir créé un partenariat avec le fabricant de plein air Patagonia.
Cependant, comme le souligne une histoire de Wired en 2015, «jusqu'à présent, chaque groupe qui a tenté de produire suffisamment d'éléments pour être mis sur le marché de masse, qu'il s'agisse de chercheurs ou de sociétés gigantesques, a quasiment échoué».
C'est le défi auquel Shah et son équipe sont confrontés en ce moment.
«Actuellement, nous fabriquons quelques dizaines de milligrammes de ces matériaux, puis nous en retirons les fibres», explique-t-il. "Mais nous voulons essayer de le faire à une échelle beaucoup plus grande."
Pour ce faire, l'équipe travaille sur un dispositif robotique permettant de tirer et de filer les fibres plus rapidement et à plus grande échelle qu'auparavant. Shah dit qu'ils ont eu un certain succès et continuent d'explorer le processus.
«Nous sommes encore au début de la recherche», dit-il.
Les conclusions de l'équipe ont été récemment publiées dans le journal Proceedings de la National Academy of Sciences .
