____Nous nous demandions, ne l'oublions pas, comment et pourquoi le biomimétisme pouvait œuvrer à la construction de nouveaux matériaux. Nous avons donc suivi un raisonnement logique battit sur des exemples précis.

____En effet la structure en couches de la nacre, superposant bio-polymère et carbonate de calcium montre à quel point la nature sait être intelligente lorsqu'elle doit survivre. Cette ingénieuse structure reprise dans plusieurs domaines comme les blindages par l'industrie actuelle, illustre parfaitement le principe du biomimétisme : s'inspirer de la nature.

____Toujours pour rester dans le domaine de la résistance des matériaux, nous avons étudié par la suite la soie d'araignée. Sa résistance face à la tension et son élasticité pourrait permettre dans les années à venir, de créer des gilets pare-balles plus légers plus solides et plus efficaces en total respect avec la nature (contrairement a la production du kevlar).

____Pour finir, nous nous sommes aussi penché sur les recherches actuelles en matière de muscle artificiel. Directement inspiré du muscle de l'homme, nous avons vu comment les scientifiques ont réussi à transformer une action chimique en action mécanique afin d'améliorer la condition humaine. Cet exemple, fruit de longue recherches, reste cependant perfectible. Ainsi il montre à quel point le biomimétisme n'est pas une science simple. Les systèmes que cette science permet de créer ne sont que le fruit de précises observations de persévérance, et d'ingéniosité

____Le biomimétisme s'inspire directement de la nature, comme nous l'avons montré grâce à l'araignée, il peut aussi éviter de lourdes pollutions. De plus les matériaux ne sont pas les seuls touchés par ce domaine, en effet l'architecture, les robots ou encore les technologiew de vol sont aussi affectés par le biomimétisme. Un procédé efficace et en osmose avec avec la nature, dans un monde ou la pollution devient une question essentiel, ou les ressources fossiles se font rares.

Le biomimétisme pourrait-il devenir la science de demain ?

Afin d’améliorer la condition humaine de chacun, le biomimétisme s’inspire de systèmes efficaces qu’elle puise dans son environnement, et l’adapte à échelle humaine. Ici, les chercheurs se sont directement inspiré du muscle humain afin de produire un muscle artificiel naturel. Les réactions chimiques permettent une action mécanique qui permet au gel de reproduire la flexion et l’extension du muscle. Malheureusement, ce système reste perfectible car il est encore trop long à réagir et se fatigue vite. Mais l’évolution des recherches dans ce domaine, permettra surement aux handicapés (que leur handicap soit du à un accident ou encore à une malformation) d’avoir de meilleures conditions de vie. 

La recherche sur le muscle artificiel ?
Un bras de fer avec la chimie !

Le gel possède plusieurs caractéristiques qui lui sont propres. En effet il ne peut être qualifié ni de liquide ni de solide. Il est considéré comme fixe mais reste très étirable.

 La 1^ère étape pour les scientifiques fut de fixer une fonction CO₂H aux macromolécules du gel. Après cela, ilsont ajouté de la soude (Na⁺ + OH^-) afin qu’en milieu aqueux, la fonction acide et la soude réagissent selon cette équation :  CO₂H + Na⁺ + OH^- => CO₂^- + Na⁺ + H₂O

La fonction acide fixée aux macromolécules devient alors CO₂^-, les macromolécules sont alors chargées négativement chargés. De plus, on sait que deux charges négatives se repoussent, les macromolécules s’écartent donc et le gel se déforme, s’étire. Et le muscle s’étendrait. On voit donc qu’une action chimique peut être transformée en action mécanique. 

Pour revenir à l’état initial les scientifiques avaient aussi la solution. En effet après un ajout d’acide chloridrique (HCl ), le muscle pourrait revenir à son état initial grâce la réaction décrite suivant cette équation : CO2- + HCl  CO2H + Cl-

Les charges négatives appliquées aux macromolécules disparaitraient donc et le muscle reprendrait son état initial.

Mais ce fonctionnement n’est valable que sur une courte durée, car les ions formés lors des deux équations chimiques précédentes (Na+ et Cl-) réagissent ensemble et forment NaCl, donc du sel. Mais le sel forme un écran entre les macromolécules et empêche l'étirement du gel car les charges négatives ne traversent pas l'écran créé . L'extension du muscle ne serait donc plus possible.

Après cette première phase d’essai, les chercheurs décidèrent d’améliorer leur système. Ils gardèrent les grands axes mais modifièrent les réactifs.

En effet, ils gardèrent exactement le même processus jusqu’à l’ajout de la soude. Après cela au lieu de rajouter de l’acide chlorhydrique, ils rajoutèrent l’ion Ba²⁺. Afin que ce dernier réalise deux liaisons. Cela se fait suivant cette réaction :  2CO₂^- + Ba²⁺ => CO₂ + Ba

Les macromolécules ne se repousseraient donc plus, et le gel reprendrait sa taille initiale.

Ensuite, afin de retrouver l’état initial, il suffit de rajouter à nouveau de la soude (Na⁺ + OH^-) dans le but que (CO₂ + Ba) réagissent suivant cette équation : Ba(CO₂)2 + Na⁺ + OH^- => CO₂^- + Ba(OH)₂ + Na⁺. Les macromolécules du gel se repousseraient donc les unes les autre grâce au charges électronégatives contenues par CO₂^-.

ce système possède plusieurs désavantages. Tout d’abord, le temps de la réaction est très lent, le muscle artificiel ne pourrait donc pas réaliser ses mouvements aussi vite que le muscle naturellement présent chez l’homme. Mais le plus important est que la réaction se fait d’abord sur les faces extérieures du gel avant de réagir au cœur de ce dernier. L’étirement de certaines parties mais pas d’autres entraine des fractures et une fatigue du mouvement. Cette réaction ne peut pas s’effectuer sur le long terme.

EXPERIENCE :

Pour vérifier les grandes lignes de ce principe, nous avons fait réagir de la gélatine alimentaire avec de l’eau. Même si les équations chimiques ne sont pas les mêmes, le principe d’étirement, lui ne change pas.

 Pour ce faire, nous avons laissé réagir une feuille de gélatine pendant 3h dans un saladier rempli d’eau. Nous avons pris des photos à intervalles réguliers, et nous avons pu observer les phénomènes des plus intéressants :

T = 0 seconde

Démarrage de l'expérience : Feuille de gélatine dans un saladier rempli d'eau. 

_____T = 45 minutes

Observation : Fissures dans la gélatine.

Interprétation : Confirmation des thèses avancés par les scientifiques. Il y a bien fatigue au niveau du mouvement.

_____T = 60 minutes

Observation : Pliures dans la gélatine.

Interprétation : Il y a mouvements contradictoires, donc a nouveau fatigue.

_____T = 180 minutes

Fin de l'expérience : La feuille de gélatine s'est agrandi significativement.

Conclusion : Il est possible de transformer une action chimique en action mécanique. Cependant, on observe de nombreuses contraites qui s'appliquent lors de l'agrandissement.

< Introduction 

Conclusion >

C'est du costaud !

____Afin de résoudre plusieurs problèmes physiques dus aux accidents, les scientifiques veulent mettre au point un muscle artificiel, imitant, bien entendu, le fonctionnement du muscle humain. Cette volonté d’imiter les systèmes de l’humain lui-même afin d’améliorer son mode de vie montre bien un des principaux buts du biomimétisme : s’inspirer de système naturel afin d’améliorer l’existence de chacun.

____Le fonctionnement du muscle humain est en soi assez simple : flexion extension avec pour axe de rotation, le coude. Mais reproduire ce fonctionnement n’est pas si simple que ça. Les recherches des scientifiques se décomposent en plusieurs parties, chacune possède ses points fort et ses points faibles. Les scientifiques ont voulu transformés une action chimique en action mécanique. Partis sur une base gel, aujourd’hui encore, les chercheurs ne cessent de perfectionner leurs systèmes. 

Vers le muscle artificiel >

____Ce ne sont donc pas les applications biomimétiques qui manquent à la toile d'araignées ! Du gilet parre-balle, aux cutures chirurgicales en passant par les ceintures de sécurité, la chimie étonnante de ce matériau ouvre de nombreuses possibilités.

____Ici, le principe biomimétique est appliqué à la chimie de la soie. Ceci confirme toujours la théorie de la précision de l'aspect copié. Nous avions vu pour la nacre qu'on pouvait ne copier que la structure. Ici, ce n'est que la chimie même qui est copié.

Casse moi si tu peux...

< Vers les matériaux ultra-résistants

Le fil d'araignée ? Fragile ?!
En apparence seulement ! 

_____L'araignée n'est pas une nouvelle-venue. Ses millions d'années d'existence en ont fait un animal très évolué. Sur ce plan, elle a appris à synthétiser un matériaux aux propriétés très intéressantes : sa fameuse soie.

_____En apparence très fragile (certes très efficace contre les mouches, mais beaucoup moins résistants quand il s'agit d'affronter le bâton de certains enfants joueurs...), la soie d'araignée est un monstre de solidité. Outre le fait qu'elle soit 5 fois plus robuste qu'un acier de même épaisseur, elle allie résistance et élasticité.

_____Dans cette partie, nous traiterons de la chimie de cette matière ainsi que de la création même de cette soie. Nous déboucherons ensuite sur les nombreuses possibilités d'utilisation de ce matériau dans l'industrie humaine.

Vers les matériaux ultra-résistants >

____Nous étudierons la structure chimique de ce fil puis sa production. En effet si ce fil est d'une élasticité remarquable ce n'est pas dû au hasard. C'est sa structure chimique qui procure au fil d'araignée ses nombreuses qualités. Tout d'abord, la haute résistance du fil de soie est due à une protéine en particulier appelé kératine. Cette protéine est constituée d’acides aminés, le tout prenant un aspect hélicoïdal. Ces acides aminés sont reliés entre eux par des liaisons faibles d'hydrogène, c'est ce qui lui procure sa grande élasticité.

____La production est permise grâce à une physionomie bien particulière du corps de l'araignée. C'est sur la partie inférieure de l'abdomen que se trouve trois paires de filières. Chacune de ces filières est surmontée de milliers de tubes en forme de cheveux : des fusules. Ces tubes remontent jusqu'à l'intérieur de l'abdomen, ou se trouve des glandes de soie. La plupart des araignées possède 5 glandes de soie, elles peuvent donc produire une soie unique qui serait le produit de chacune des soies produites par les glandes. A l'intérieur de l'abdomen valves pompes et système de pression serve à fabriquer ces soies qui sont ensuite acheminées sous forme de fibrille de soie. L'araignée peut bouleverser les différents systèmes de pression afin de modifier la structure moléculaire de la kératine.

____La soie liquide commence ensuite à se solidifier grâce à l'action des ions hydrogènes, sodiums et potassiums injectés dans la fusule. En effet ces ions ont pour faculté de séparer le solvant et les protéines.

 ____Viens l’action des « pompes » afin que les fibrilles de soie sortent des fusules. L'araignée utilise ensuite son poids et ses pattes arrière afin de produire un fil de soie optimal et de l'étirer suivant ses besoins.

 VERS... 

____Plusieurs domaines pourraient être optimisés si les chercheurs réussissaient enfin à reproduire cette soie. La médecine tout d'abord, car la soie d'araignée permettrait de produire des sutures chirurgicales résistantes qui ne laisseraient pas de cicatrice.

____La sécurité est aussi un autre domaine. En effet, on pourrait produire des ceintures de sécurité disposant d'une certaine élasticité, mais qui resteraient tout de même résistantes face à la tension.

____L'armée pourrait, elle aussi, profiter de cette innovation. En effet, la sécurité des soldat pourrait être amélioré par des gilet pare-balles en soie d'araignée afin de remplacer le kevlar.

____Mais aujourd'hui, la production du kevlar est faite par une réaction de condensation avec de l'acide téréphtalique et de l'acide sulfurique. Le processus de fabrication utilise donc des produits toxiques et la fabrication elle-même se fait à haute température, tandis que la soie d'araignée est produite depuis bien longtemps par cette animal à 8 pattes qui, comme tous les autres animaux, est en total respect avec la nature. 

< Introduction

Conclusion >

____L'ingénieuse structure en couches superposées de matériaux aux propriétés opposées de la nacre d'ormeau en fait un matériau particulièrement intéressant. Sa capacité à "fragmenter" les fissures le rend tout particulièrement résistant et propice à une démarche biomimétique.

____Ainsi, l'homme est ici amené à contretyper non la matière, mais la manière dont elle est organisée pour y assembler des matériaux industriels efficaces. Il s'agit bien d'un exemple illustrant le biomimétisme qui ne consiste pas en une simple copie de la nature mais une adaptation d'un aspect bien précis.

Et en plus, c'est joli !

< Vers la céramique de blindage

___C'est la structure de la nacre qui fait sa force grâce à un astucieux assemblage de carbonate de calcium et de bio-polymère souple. En effet grâce à des couches de carbonate de calcium (CaCO₃) reliées entre-elles avec du bio-polymère, la nacre acquiert une structure des plus résistantes. A la façon d'un mur dont les briques, ici le carbonate de calcium, seraient isolées et collées aux autres briques par le ciment, qui ici serait le bio-polymère. Cette isolement protège donc les blocs de CaCO₃ lors d'une attaque quelconque. Même si la fissure se propage dans la première couche de CaCO₃, lorsqu'elle atteint le bio-polymère, ce dernier permet de repartir les fissures, et donc même s'il cède a son tour, il permet au bloc de craie de résister en plusieurs endroits à la force imposée. Ainsi le second bloc ne casse pas car la force de la fissure est répartie.

À échelle humaine, l'alliance du carbonate de calcium et du bio-polymère souple pourrait se traduire par l'alliance du verre (résistant mais cassant) et du plomb (peu résistant mais souple). C'est donc grâce à une structure intelligente que la nacre possède sa grande résistance. Le bio-polymère permet en plus d'absorber l'énergie des fissures et donc d'empêcher, une fois encore, la répartition de cette dernière.

_____La structure de la nacre permet donc le limiter les dégâts au niveau de son armure. Même si les premières couches cèdent, l'ensemble de la coquille d'ormeau reste intacte et solide.

VERS...
____Les recherches du MIT ont pu démontrer que la nature est experte en nanotechnologie. Une fois les fondements de la conception d'armures comprise, les ingénieurs pourraient mettre au point les armures des plus solides et des plus efficaces. De plus, en remplaçant les composants fragiles de la nacre par des matériaux plus résistants de configuration semblable, on pourrait produire des composites encore plus solides. Ainsi ces nouvelles innovations pourraient être utilisées dans les blindages ou des applications structurelles tel que les carrosseries automobiles ou les ailes d'avion.

< Introduction

Conclusion >

Solide comme un Roc la Nacre !

____Lorsque que l'on parle d'une coquille d'ormeau, on pense tout d'abord aux jolies couleurs à l'intérieur de celle-ci. En effet, nous sommes loin de penser que la solidité de cette dernière est capable de rivaliser avec les blindages les plus lourd. Grâce a une ingénieuse structure, la nacre est un matériau des plus solides.

____Sa composition n'a, à première vue, rien de bien résistant. La nacre est constituée a 95% de carbonate de calcium (craie). La craie une céramique cassante, donc a priori peu résistante. Le second composant est un bio-polymère souple.

____D'où vient la solidité de la structure et que pouvons-nous en tirer pour l'industrie ? C'est ce que nous allons voir dans cette partie.

Vers la céramique de blingage >