Un matériau dérivé du tabac est aussi résistant que le bois ou le plastique

Feuilles de tabac Alex Plesovsky | unsplash

La dépendance de l'humanité au plastique est un problème important. Ce matériau est dérivé du pétrole et finit généralement sa vie en décharge et/ou dans un incinérateur. Dans tous les cas, c'est insoutenable. Alors pourquoi ne pas développer des biocomposites plus respectueux de l'environnement ?

Ce n'est pas aussi simple qu'il y paraît. La plupart des plastiques biodégradables reposent sur une structure matricielle dérivée du pétrole. En effet, les matrices biologiques manquent généralement de résistance pour la plupart des applications d'ingénierie et structurelles.

Ensuite, il y a le bois naturel, qui peut être traité pour lui donner des propriétés qui rivalisent avec l'acier et la céramique. Mais ce traitement nécessite des traitements chimiques agressifs qui ne sont pas respectueux de l'environnement.

Il existe donc un vif intérêt à trouver des moyens de transformer des plantes ordinaires en biocomposites durables et comparables en termes de performances mécaniques au bois transformé et aux plastiques conventionnels.

Entrez Eleftheria Roumeli et ses collègues du California Institute of Technology. Cette équipe a trouvé un moyen de transformer les cellules des plants de tabac en un matériau extrêmement résistant aux propriétés mécaniques semblables à celles du bois. Nous avons développé une nouvelle méthode pour créer des matériaux biocomposites naturels à base de cellules végétales, disent-ils. La rigidité et la résistance [des matériaux] surpassent celles des plastiques commerciaux de densité similaire, comme le polystyrène et le polyéthylène basse densité, tout en étant entièrement biodégradables.

La méthode de fabrication est simple. L'équipe commence avec des cellules de la plante herbacée Nicotiana tabacum, qu'ils cultivent en suspension liquide en laboratoire. Cette plante largement cultivée produit des feuilles qui sont transformées en tabac.

Ces cellules sont bien étudiées et facilement accessibles aux chercheurs. Certaines lignées cellulaires, telles que la lignée BY-2, peuvent se multiplier par 100 en une semaine lorsqu'elles sont cultivées en suspension. Roumeli et co ne disent pas quel type de cellule ils utilisent, bien que les cellules BY-2 semblent un choix raisonnable, compte tenu des références de l'article.

Chaque cellule a une paroi cellulaire renforcée par des microfibrilles constituées de protéines et de cellulose, qui nouent efficacement la paroi ensemble. La paroi cellulaire renferme le noyau cellulaire, divers types de machines biomoléculaires pour le traitement de l'énergie, etc., et le cytoplasme, dont une grande partie est constituée d'eau. (Les lignées cellulaires BY-2 ne font pas de photosynthèse et ne contiennent donc pas de chlorophylle).

Après avoir cultivé les cellules, l'équipe les récolte et les comprime dans un moule. Le moule est perméable pour permettre à l'eau de s'échapper. Lors de la compression, l'eau se diffuse à travers la paroi cellulaire de la plante et le volume cellulaire est progressivement réduit, disent-ils.

En effet, les cellules perdent 98% de leur poids au cours de ce processus. La majeure partie de cela est due à l'évaporation de l'eau, mais d'autres processus sont à l'œuvre, tels que la dégradation de biomolécules complexes, notamment les pectines, l'hémicellulose et les composés phénoliques.

L'équipe chauffe ensuite la matière déshydratée. Cela amène les microfibrilles à subir une transition de phase et à former des structures cristallines. Le matériau obtenu est un biocomposite, composé d'un mélange hétérogène de biopolymères naturellement synthétisés, disent Roumeli et co.

Et c'est remarquablement dur. L'équipe a mesuré ses propriétés mécaniques et l'a comparée à des bois tendres comme le pin; les feuillus comme le peuplier, le chêne et le noyer; et contreplaqué commercial et MDF. Ils l'ont également comparé à des plastiques synthétiques de densité similaire, tels que le polystyrène, le polypropylène et le polyéthylène basse densité.

Les résultats révèlent à quel point ce matériau est bon. La performance mécanique de nos biocomposites est comparable à celle des bois d'ingénierie et des plastiques commerciaux, affirment Roumeli and co. Ils dépassent toutes les valeurs rapportées dans la littérature pour les matériaux composés de cellules végétales, de mycélium ou de matrices de levure.

Comment les biocomposites (BC) se forment contre le bois et le plastique.

L'équipe continue à rendre le matériau encore plus solide en ajoutant de la fibre de carbone. En effet, ils peuvent encore affiner les propriétés du biocomposite avec des additifs qui le rendent conducteur ou magnétique.

Une question importante pour la durabilité est de savoir comment ce matériau se dégrade à la fin de sa vie. La crainte est que ce type de traitement produise des biopolymères si résistants qu'ils ne se décomposent pas facilement.

Pour le savoir, Roumeli et co ont enterré leurs échantillons dans un sol agricole avec du bois ordinaire et ont observé ce qui s'est passé. Les deux échantillons ont d'abord pris du poids en absorbant l'eau du sol. Mais ensuite, les deux se sont effondrés naturellement.

La perte de masse détectable due à la biodégradation des biocomposites commence 3 semaines après l'incubation, alors que pour le bois naturel, elle commence environ 7 semaines plus tard, précise l'équipe. On observe une biodégradation presque complète du biocomposite 14 semaines après l'incubation initiale.

C'est un travail intéressant qui mérite plus d'attention. Ordinateurs portables biodégradables, quelqu'un?

Réf : arxiv.org/abs/1909.01926 : Composites à matrice biologique à base de cellules végétales

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