23 févr.2021 (Projecteur Nanowerk) Les matériaux structurels qui sont actuellement utilisés dans nos environnements construits par l'homme s'usent en raison de l'âge et des dommages, et ont une capacité limitée à réagir aux changements de leur environnement immédiat. En revanche, les matériaux biologiques vivants comme les os, la peau, l'écorce et le corail ont des attributs qui offrent des avantages par rapport aux matériaux non vivants avec lesquels les gens construisent - ils peuvent être cultivés là où c'est nécessaire, s'auto-réparer lorsqu'ils sont endommagés et réagir aux changements de leur état. alentours. En termes simples : les systèmes biologiques de la nature assemblent des matériaux vivants qui sont modelés de manière autonome, peuvent s'auto-réparer et peuvent détecter et réagir à leur environnement ; cependant, les matériaux d'ingénierie ne le peuvent généralement pas (les matériaux d'ingénierie cultivés ne sont pas entièrement nouveaux, par exemple le bois, mais ils sont rendus inertes pendant le processus de fabrication, de sorte qu'ils présentent peu d'avantages biologiques originaux de leurs composants). L'inclusion de matériaux vivants dans les environnements construits par l'homme pourrait offrir des avantages significatifs. Malheureusement, les scientifiques et les ingénieurs sont incapables de contrôler facilement la taille et la forme des matériaux vivants de manière à les rendre utiles pour la construction. Cela a conduit à l'émergence d'un domaine de recherche relativement nouveau : Matériaux vivants d'ingénierie (ELM). Il s'agit d'une nouvelle classe de matériaux qui exploitent les propriétés des organismes vivants. La DARPA a même lancé un Programme de matériaux vivants d'ingénierie cherchant à "révolutionner la logistique et la construction militaires dans des environnements éloignés, austères, à haut risque et/ou post-catastrophe en développant des biomatériaux vivants qui combinent les propriétés structurelles des matériaux de construction traditionnels avec les attributs des systèmes vivants, y compris la capacité de se développer rapidement sur place, s'auto-réparer et s'adapter à l'environnement. En fin de compte, les ELM pourraient conduire à un avenir où divers matériaux pourraient être cultivés à la maison ou dans des installations de production locales, en utilisant la biologie plutôt qu'une fabrication centralisée à forte intensité de ressources. Des chercheurs de l'Université de Californie du Sud ont maintenant signalé des progrès dans l'exploitation de bactéries vivantes et de matériaux imprimés en 3D pour développer des composites bioniques minéralisés avec des microstructures ordonnées (Matériaux avancés, « Cultiver des composites vivants avec des microstructures ordonnées et des propriétés mécaniques exceptionnelles »). Cet article fournit un exemple d'exploitation de bactéries vivantes pour concevoir des matériaux à croissance automatique et ouvre la porte à une nouvelle classe de matériaux d'ingénierie qui peuvent se développer comme des créatures vivantes. "Nous avons développé une stratégie pour fabriquer des composites minéralisés bioniques en exploitant la minéralisation assistée par des bactéries dans des échafaudages en polymère imprimés en 3D", Qi Ming Wang, titulaire de la Chaire de début de carrière Stephen Schrank en génie civil et environnemental et professeur adjoint au Département de génie civil et environnemental de l'Université de Californie du Sud, raconte Nanowerk. "Par rapport à d'autres méthodes existantes, notre méthode bionique peut produire des composites minéralisés avec des fractions élevées de minéraux et des orientations minérales très ordonnées." En haut : les schémas montrent le processus de production de composites structuraux minéralisés chez les êtres vivants (comme le stomatopod dactyl club). En bas : les schémas montrent la stratégie proposée pour la croissance de composites bioniques dans ce travail : la croissance minérale assistée par des bactéries dans un échafaudage imprimé en 3D. (Image : Qiming Wang, USC Viterbi School of Engineering) (cliquez sur l'image pour l'agrandir) Les travaux de Wang et de son équipe portent sur les composites minéralisés. Ce sont des matériaux résistants qui existent largement dans la nature, tels que les dents, la perle, la nacre et le club de crevettes mantis. Pour concevoir des composites minéralisés à haute ténacité, deux exigences doivent être respectées : La fraction minérale volumique doit être élevée ; et les fibres minérales doivent former des microstructures aux orientations ordonnées (comme la structure Bouligand). « La méthode de culture de la nature peut répondre à ces deux exigences », déclare Wang. "Cependant, les méthodes d'ingénierie existantes ne peuvent répondre qu'à une seule exigence : soit une fraction volumique élevée de minéraux, soit une architecture complexe de disposition minérale." La nouvelle méthode de l'équipe peut répondre aux deux exigences : la fraction volumique minérale est relativement élevée (45-90 %) et la disposition minérale suit une microstructure ordonnée. "Bien que la minéralisation assistée par des bactéries ait déjà été utilisée pour guérir les matériaux cimentaires, l'exploitation de la minéralisation bactérienne guidée pour concevoir des composites structuraux n'a pas été explorée", note Wang. Cette nouvelle stratégie de fabrication repose principalement sur la croissance minérale assistée par des bactéries dans des échafaudages en treillis microporeux imprimés en 3D. Croissance minérale assistée par des bactéries dans un échafaudage en treillis imprimé en 3D. A) Schémas pour montrer le processus de croissance minérale assistée par des bactéries. H est l'épaisseur minérale et R est la demi-largeur du faisceau. B–D) Échantillons (B), leurs images microscopiques optiques (C) et leurs images SEM (D) au cours du processus de croissance minérale assistée par des bactéries sur 10 jours. (Reproduit avec la permission de Wiley-VCH Verlag) (cliquez sur l'image pour l'agrandir) Les chercheurs travaillent avec des bactéries spécifiques (S. pasteurii) connu pour sécréter l'enzyme uréase. Lorsque l'uréase est exposée à l'urée et aux ions calcium, elle produit du carbonate de calcium, un composé minéral fondamental et fort présent dans les os et les dents. En guidant les bactéries pour développer des minéraux de carbonate de calcium, les chercheurs ont obtenu des microstructures ordonnées, similaires à celles des composites minéralisés naturels. "Parce que nos nouveaux matériaux répondent aux deux exigences - une fraction volumique élevée de minéraux ainsi qu'une architecture minérale complexe - les propriétés mécaniques de nos matériaux bioniques sont exceptionnelles", souligne Wang. "Ils présentent une résistance spécifique et une ténacité à la rupture exceptionnelles, comparables aux composites naturels, et une capacité d'absorption d'énergie exceptionnelle, supérieure à leurs homologues naturels et artificiels." Ces matériaux pourraient trouver des applications dans des domaines qui nécessitent des structures hautes performances telles que les panneaux aérospatiaux et les châssis de véhicules. Les matériaux sont relativement légers, offrant également des options pour les applications de défense telles que les armures de corps ou de véhicules. "Une vision intéressante est que ces matériaux vivants possèdent toujours des propriétés d'auto-croissance", explique Wang. "Ainsi, par exemple, si nous les utilisons dans un pont, nous pouvons réparer tout dommage en introduisant des bactéries pour faire repousser les structures affectées."

Cette vidéo montre la procédure expérimentale globale de la méthode proposée. La prochaine étape de la recherche de l'équipe consiste à utiliser des bactéries vivantes pour développer des matériaux fonctionnels supplémentaires qui ne peuvent pas être fabriqués par les méthodes existantes. "Notre stratégie met en évidence une opportunité passionnante pour les futurs matériaux bioniques hybrides synthétiques-vivants en adaptant les interactions ou les communications entre les organismes vivants et les matériaux synthétiques imprimés en 3D", conclut Wang. "La stratégie de fabrication peut être facilement étendue en contrôlant sélectivement l'activité des organismes vivants pour synthétiser des composites structuraux sans précédent avec des microstructures ordonnées, hiérarchiques et à gradient." By

Michael
Berger
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Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry:
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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