Le biomimétisme

Exemple 2 : le gecko pour la fabrication de nouvelles bandes adhésives

Le gecko est un lézard pouvant courir la tête en bas sur les murs et les plafonds avec une facilité déconcertante. Cet animal est capable non seulement de se coller aux parois les plus lisses (mêmes humides !), mais aussi de se décoller! Cette étrange propriété est due aux micropoils que le gecko possède sous ses pattes. Ces poils se comptent en millions, il sont formés de kératine, et ne font que quelques dizaines de microns de diamètre. A leurs extrémités, ces poils se coupent eux-mêmes en poils encore plus fins (quelques centaines de nanomètres de diamètre), qui se terminent en spatule. C’est à ce niveau qu’entre en jeux les forces de Van der Waals* (qui sont des forces de faible intensité, mais grâce au nombre de poils que le gecko possède, elles sont assez importantes pour soutenir largement le poids de l’animal)…

Il faut aussi savoir que la taille des poils permet à ces derniers d’être très proches des molécules support, et donc, d’améliorer l’action des forces de Van der Waals. Sur les surfaces humides, des forces de succions collent les poils à la surface.

Mais il reste un problème à résoudre pour le gecko comment se « coller » et se « décoller » en gaspillant le moins d’énergie? En effet, il faut une forte pression pour provoquer l’adhérence puis une forte traction pour la faire cesser. Or, on sait que le gecko peut courir en posant ses pieds plus de vingt fois par seconde, et si ce mécanisme nécessiterai beaucoup d’énergie, l’animal serait vite épuisé, ce qui n’est pas le cas. La nature a donc résolut le problème… En effet, les forces de Van der Waals, ne fonctionnent que dans un sens, et du fait de leur faible intensité le gecko n’a aucun mal à déplacer ses pattes : les poils se tordent, les liaisons se rompent, et l'adhérence disparaît.

Forces de Van der Waals : De nature électrostatique, ces forces attractives sont responsables de liaisons intermoléculaires de faible intensité. Il en existe trois types :

• L’effet d’orientation de Keesom. Cet effet intervient entre deux molécules polaires. Ces dipôles s’orientent les uns par rapport aux autres (chacun est placé dans le champ électrique créé par l’autre)

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• L’effet d’induction de Debye, qui intervient entre une molécule polaire est une molécule non polaire qui se polarise sous l'effet de la molécule polaire.

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• L’effet de London, qui intervient entre des molécules non polaires. En raison des déplacements incessants des électrons dans une molécule, celle-ci présente a chaque instant un moment dipolaire instantanée non nul. Ce mouvement instantanée peut polariser les molécules voisines, d’où les interactions meme entre molécules non polaire.

De nos jours, l’homme n’arrive pas à créer des outils aussi collants que les pattes de geckos. On estime que, a titre exemple, que la « colle » du gecko est 600 fois supérieure a nos meilleurs rubans adhésifs. De tels adhésifs pourraient servir à maintenir en place les parties lisses du corps humains durant les interventions chirurgicales, améliorer l'adhérence des pneus à la route. Des robots-geckos pourraient être utilisés pour réparer les fissures dans la coque des navires, des ponts et des terminaux, ainsi que pour l'entretien régulier des satellites, ou même grimper aux murs des bâtiments en feu pour sauver les personnes encore coincées à l'intérieur!

  Exemple 1 : La toile d’araignée aux nouveaux gilets par-balles

Araignée attendant patiemment une proie sur sa toile

  Les araignées sont souvent perçues comme étant des êtres nuisibles, laids, qui font peur et qui, par conséquent, doivent être éliminés. Cependant les toiles qu’elles produisent pour capturer leurs proies ont toujours étonné les scientifiques par leur solidité, et leur élasticité. En effet, ces toiles ont d’étonnantes caractéristiques :

-Elles sont 5 fois plus résistante que l’acier (bien que leur densité soit 6 fois moindre) et 3 fois plus que le kevlar (certaines, sont même encore 10 fois plus résistantes que ce dernier).

-Elles sont 2 fois plus souples que le nylon.

-Elles présentent une capacité d’absorption des chocs défiant toutes les lois de la gravité.

-Elles sont capables de s’allonger 5 fois et de reprendre leur taille initiale

-Elles sont tellement légères qu’une toile assez grande pour faire le tour de la terre ne pèserait que 320 grammes.

-il faut dix fois plus d'énergie pour rompre une toile d’araignée que tout autre matériau biologique similaire

En fait la soie d’araignée est constituée de deux protéines comme le montre ce diagramme:

 La séricine (de formule brute C₁₂H₂₅N₅O₈) n’est pas à l’origine des qualités textiles de la soie; elle ne lui donne que sa coloration. Elle enveloppe et soude les filaments de fibroïne constituant le fil et ainsi se trouve vers les parties extérieures du brin. Les propriétés de la soie reposent donc sur la fibroïne (qui est, comme la séricine, une protéine). Il en existe deux sortes: la spidroïne 1 et la spidroïne 2. Celles-ci se caracterisent principalement par leur différence en prolyne (de formule brute C₅H₉NO₂) et tyrosine (de formule brute C₉H₁₁NO₃) qui sont deux acides aminés. La fibroïne (ou comme on l'a vu spidroïne) est une molécule complexe composée majoritairement d'une combinaison de 2 acides aminés spécifiques au fil d'araignée : la glycine (44%) et l'alanine (29%).)

Il existe deux régions qui présentent des séquences répétitives d’acides aminés: une séquence riche en alanine et une séquence riche en glycine. Ces séquences répétitives d’acides aminés donnent lieu à des structures fortement cohérentes qui procurent au fil de soie ses propriétés uniques. En effet la séquence riche en alanine forme une structure repliée appelée feuillet bêta. Cette structure aussi appelée la forme secondaire d'une protéine s’apparente à un feuillet de papier en accordéon. Lorsque la protéine de soie se replie, les feuillets bêta se juxtaposent pour produire une protéine densément constituée (comme le montre la figure ci-dessus). Les feuillets bêta, de plusieurs protéines, sont maintenus entre eux par plusieurs liaisons hydrogènes pour former des cristallites bêta, qui donnent à la soie sa force et sa résistance. Pour sa part, la séquence riche en glycine forme des spirales. Ces spirales ne sont modifiées qu’au moment où la soie est sécrétée ou étirée. Au moment de leur sécrétion, les spirales forment un type d’hélice particulier. Ce type d’hélice augmente davantage la résistance mécanique de la soie d’araignée, elle est appelée hélice 31. Ces hélices confèrent à la soie d’araignée son élasticité qui peut être comparée à un ressort. A titre d’exemple, une toile de deux microns de diamètre peut soutenir un poids de un gramme, une de un ou deux millimètre peut soutenir un poids de 65kg, et une toile ayant pour diamètre celui d’un pouce pourrait servir pour soutenir un pont suspendu !

Ce matériau pourrait servir à la création de gilets pas balles, plus légers, plus fins et plus efficaces. On estime aussi qu’il pourrait servir a la création d’outil médicaux, tels que des valvules artificielles pour le cœur, des os, des tendons factices, des sutures pour les plaies qui ne laissent pas de cicatrices, ou même de nouvelles ceintures de sécurités qui disposent de la meilleure élasticité que celles d’aujourd’hui.

Cependant, il est quasiment impossible de posséder de la toile d’araignée en grande quantité, tout simplement parce que ces insectes s’entredévorent lorsqu’on les élève. Les chercheurs ont donc cherchés un autre moyen pour en posséder. Et ils ont trouvés la réponse dans…. Le lait de chèvre! En effet, les scientifiques ont réussit a récolter de la spidroïne en collectant du lait de chèvres génétiquement modifiés. Au Canada, il y a déjà un élevage d’une centaine de chèvres capable de fabriquer cette protéine.

Si tout se passe bien, des sutures en fil d'araignée pourraient bientôt être commercialisées. Mais pour les autres applications, il reste encore beaucoup à faire, notamment améliorer la qualité des fibres et augmenter la taille du troupeau. Mais ce n'est pas demain qu'on verra des policiers vêtus de vestes pare-balles en fil d'araignée!

NB : l’araignée est capable de manger sa toile. Ainsi, elle peut la recycler a 90% pour la réutiliser.