Des chercheurs de l’Université Tufts se sont inspirés du monde des bandes dessinées et de la nature pour créer une technologie révolutionnaire de lancement de toiles.
Ce système innovant permet de projeter une matière fluide à partir d’une aiguille.
Le matériau se solidifie en une ficelle qui peut adhérer et soulever des objets, un peu comme les capacités de lancement de toile de Spider-Man.
La science derrière les cordes
Les fibres collantes sont produites au Silklab de l’Université Tufts, à partir de soie provenant de cocons de mites. Ces cocons sont bouillis dans une solution et décomposés en protéines appelées fibroïne.
Cette solution de fibroïne de soie peut être extrudée à travers des aiguilles étroites pour créer un flux qui se solidifie en fibre au contact de l’air, notamment avec les bons additifs.
La nature est la source d’inspiration ultime pour l’utilisation des fibres de soie dans les attaches, les toiles et les cocons. Diverses créatures, notamment les araignées, les fourmis, les guêpes, les abeilles, les papillons, les mites, les coléoptères et les mouches, peuvent produire de la soie à différents stades de leur vie.
Le Silklab a exploité la fibroïne de soie pour développer des adhésifs puissants qui fonctionnent sous l’eau, capteurs imprimables pour plusieurs surfaces, des revêtements comestibles qui prolongent la durée de conservation des aliments et des matériaux captant la lumière qui pourraient améliorer l’efficacité des cellules solaires. Ils ont même travaillé sur le développement durable puce méthodes de fabrication.
Surmonter les défis d’ingénierie
Malgré leurs progrès avec les matériaux à base de soie, les chercheurs ont eu du mal à reproduire la finesse de la soie d’araignée, qui possède des propriétés uniques de rigidité, d’élasticité et d’adhérence. Une percée s’est produite de manière inattendue.
Marco Lo Presti, professeur assistant de recherche à Tufts, a partagé : « Je travaillais sur un projet de fabrication d’adhésifs extrêmement puissants à base de fibroïne de soie, et pendant que je nettoyais ma verrerie avec de l’acétone, j’ai remarqué qu’un matériau semblable à une toile se formait au fond de le verre.
Cette découverte fortuite a permis de relever plusieurs défis techniques liés à l’imitation de la soie d’araignée. Les solutions de fibroïne de soie forment généralement un hydrogel semi-solide au fil des heures lorsqu’elles sont exposées à des solvants organiques comme l’éthanol ou l’acétone.
Cependant, l’introduction de dopamine, utilisée dans la production d’adhésifs, a permis une solidification quasi instantanée. Lorsqu’elle est mélangée rapidement, la solution de soie produit rapidement des fibres dotées d’une résistance à la traction et d’une adhérence remarquables. La dopamine et ses polymères utilisent le même processus chimique que les balanes pour fabriquer des fibres qui adhèrent étroitement aux surfaces.
La prochaine étape cruciale consistait à faire tourner les fibres dans l’air. Les chercheurs ont intégré de la dopamine dans la solution de fibroïne de soie, ce qui a semblé accélérer la transition du liquide au solide en éliminant l’eau de la soie. Lorsque la solution est injectée à travers une aiguille coaxiale, un mince filet de soie est enveloppé d’acétone, déclenchant la solidification.
L’acétone s’évapore dans l’air, laissant derrière elle une fibre collante qui s’attache à tout ce qu’elle entre en contact. En ajoutant du chitosane, provenant d’exosquelettes d’insectes, les fibres sont devenues jusqu’à 200 fois plus résistantes. Un tampon borate les a également rendus adhérents 18 fois mieux.
Applications pratiques de la technologie
Le diamètre de ces fibres peut varier de celui d’un cheveu humain jusqu’à environ un demi-millimètre, selon l’aiguille utilisée. L’appareil est capable de projeter des fibres capables de soulever des objets plus de 80 fois leur propre poids dans diverses conditions.
Les chercheurs ont démontré cette capacité en soulevant un cocon, un boulon en acier, un tube de laboratoire flottant, un scalpel partiellement enfoui dans le sable et un bloc de bois à une distance d’environ 12 centimètres.
Lo Presti expliqué« Si vous regardez la nature, vous constaterez que les araignées ne peuvent pas déployer leur toile. Ils font généralement sortir la soie de leur glande, entrent en contact physique avec une surface et tracent les lignes pour construire leurs toiles. Nous démontrons un moyen de tirer une fibre à partir d’un appareil, puis d’adhérer et de ramasser un objet à distance. Plutôt que de présenter cette œuvre comme un matériau bio-inspiré, il s’agit plutôt d’un matériau inspiré des super-héros.
Même si la soie d’araignée naturelle reste environ 1 000 fois plus résistante que ces fibres synthétiques, le potentiel d’amélioration est important. Grâce à la créativité et aux progrès de l’ingénierie, cette technologie pourrait conduire à diverses applications dans des domaines tels que la robotique, la médecine et les matériaux durables.
Dans le communiqué de presse, Fiorenzo Omenetto, professeur d’ingénierie Frank C. Doble à Tufts et directeur du Silklab, a déclaré : « En tant que scientifiques et ingénieurs, nous naviguons à la frontière entre l’imagination et la pratique. C’est là que toute la magie opère. Nous pouvons nous inspirer de la nature. Nous pouvons nous inspirer de la bande dessinée et de la science-fiction. Dans ce cas, nous voulions faire de l’ingénierie inverse sur notre tissu en soie pour qu’il se comporte comme la nature l’avait conçu à l’origine, et comme les auteurs de bandes dessinées l’avaient imaginé.
L’étude a été publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés.
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