Les araignées ingèrent des nanotubes, puis tissent de la soie renforcée de carbone

La soie d'araignée est l'un des matériaux les plus extraordinaires connus de la science. La fibre protéique, tissée par les araignées pour fabriquer des toiles, est plus solide que presque tout ce que les humains peuvent fabriquer.

Les araignées en soie dragline utilisées pour fabriquer le bord extérieur et les rayons d'une toile sont des choses incroyables. Il correspond à l'acier allié de haute qualité pour la résistance à la traction, mais est environ un sixième aussi dense. Il est également très ductile, parfois capable de s'étirer jusqu'à cinq fois sa longueur.

Cette combinaison de résistance et de ductilité rend la soie d'araignée extrêmement résistante, correspondant à la ténacité des fibres de carbone de pointe telles que le Kevlar.

Il va donc sans dire que la capacité de rendre la soie d'araignée encore plus solide et plus résistante serait un coup scientifique important. C'est pourquoi le travail de Nicola Pugno à l'Université de Trento en Italie et de quelques copains est quelque chose d'un compte-gouttes.

Ces gars-là ont trouvé un moyen d'incorporer des nanotubes de carbone et du graphène dans la soie d'araignée et d'augmenter sa résistance et sa ténacité au-delà de tout ce qui était possible auparavant. Le matériau résultant a des propriétés telles que la résistance à la rupture, le module de Young et le module de ténacité plus élevés que tout ce qui a jamais été mesuré.

L'approche de l'équipe est relativement simple. Ils ont commencé avec 15 araignées Pholcidae, collectées dans la campagne italienne, qu'ils ont conservées dans des conditions contrôlées dans leur laboratoire. Ils ont collecté des échantillons de soie de dragline produits par ces araignées comme référence.

L'équipe a ensuite utilisé une astuce pour introduire des nanotubes de carbone et des flocons de graphène dans la soie d'araignée. Ils ont simplement aspergé les araignées d'eau contenant les nanotubes ou les flocons, puis ont mesuré les propriétés mécaniques de la soie produite par les araignées.

Pour chaque brin de soie, ils ont fixé la fibre entre deux supports en carton en forme de C et l'ont placé dans un appareil capable de mesurer la charge sur une fibre avec une résolution de 15 nano-newtons et tout déplacement de fibre avec une résolution de 0,1 nanomètre.

Les résultats rendent la lecture impressionnante. Nous mesurons une résistance à la rupture jusqu'à 5,4 GPa, un module de Young jusqu'à 47,8 GPa et un module de ténacité jusqu'à 2,1 GPa, disent Pugno et co. Il s'agit du module de ténacité le plus élevé pour une fibre, surpassant les fibres polymères synthétiques haute performance (par exemple Kelvar49) et même les fibres nouées les plus résistantes actuelles, disent-ils.

En d'autres termes, donner aux araignées de l'eau infusée de nanotubes de carbone leur permet de tisser de la soie plus solide que n'importe quelle fibre connue.

L'ouvrage soulève des questions intéressantes. Pour commencer, la manière exacte dont les araignées incorporent des nanotubes de carbone et des flocons de graphène dans leur soie n'est pas claire. L'équipe utilise des méthodes spectroscopiques pour montrer que les matériaux à base de carbone sont présents dans la fibre mais est incapable de montrer exactement comment.

Une possibilité est que la soie soit recouverte de ces matériaux à base de carbone après avoir été filée. Pugno et co ne peuvent pas exclure cela, mais disent que c'est peu probable car la structure résultante n'aurait pas la résistance qu'ils ont mesurée. Un tel revêtement externe sur la surface de la fibre ne devrait pas contribuer de manière significative au renforcement mécanique observé, disent-ils.

Au lieu de cela, l'équipe dit qu'il est plus probable que les araignées ingèrent l'eau avec les matériaux à base de carbone et que ceux-ci soient ensuite incorporés dans la fibre au fur et à mesure qu'elle est filée. Ainsi, les nanotubes et le graphène se retrouvent dans la partie centrale de chaque fibre où ils peuvent avoir le plus grand impact sur sa résistance.

L'équipe a même simulé la structure moléculaire résultante et dit que les propriétés mécaniques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux.

Il y a des défis à relever, bien sûr. Personne n'a découvert un moyen efficace de récolter la soie d'araignée, même si ce n'est pas faute d'avoir essayé. Ainsi, une étape future importante sera le développement d'une telle technique qui peut fonctionner à l'échelle industrielle. Cela ouvrirait la voie à des applications généralisées dans tous les domaines, de la réparation des tissus à la conception de vêtements.

Ce n'est pas la première fois que des chercheurs tentent de modifier la soie d'araignée. Divers groupes ont ajouté des éléments métalliques en plaçant la soie dans la vapeur appropriée. De cette façon, ils ont considérablement augmenté la résistance et la ténacité de la soie, mais jamais dans la mesure où Pugno et co ont réussi.

C'est pourquoi leur travail est impressionnant. Les propriétés extraordinaires de la soie d'araignée sont le résultat de 400 millions d'années d'évolution. Une amélioration aussi significative est donc clairement quelque chose de spécial.

Et la simplicité de la technique suggère qu'une approche similaire pourrait être utilisée sur d'autres organismes. Cette nouvelle procédure de renforcement pourrait également être appliquée à d'autres animaux et plantes, conduisant à une nouvelle classe de matériaux bioniques, disent-ils.

Réf : arxiv.org/abs/1504.06751 : Soie renforcée de graphène ou de nanotubes de carbone filés par des araignées

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