[Cahier Technique] Quand les matériaux industriels s'inspirent du vivant

Le terme biomimétisme (du grec « bios », vivant, et « mimesis », imiter) désigne l’approche consistant à s’inspirer des systèmes vivants pour innover et repenser nos processus de conception. Explorer cette R & D longue de 3,8 milliards d’années sur des millions d’espèces permet d’enrichir nos connaissances dans de nombreux domaines tels que l’architecture, la communication et l’information en général, l’énergie, les matériaux. Actuellement, entre 50 000 et 80 000 matériaux sont utilisés dans diverses applications, de la santé au bâtiment, en passant par le packaging. Les chercheurs et les ingénieurs tentent d’optimiser leurs propriétés pour qu’ils répondent aux cahiers des charges des industriels, de plus en plus complexes. Les matériaux doivent en effet être sur mesure et multicritères. Par conséquent, la structuration de la matière est étudiée à toutes les échelles afin de comprendre son influence sur les propriétés, à l’aide d’outils performants tels que la modélisation. L’objectif consiste à jouer sur la nano- ou la microstructure, sur l’architecture et les associations de matériaux, pour assurer des fonctions de plus en plus variées.

1. Principe

S’inspirer des matériaux du vivant pour revoir les procédés de fabrication

Les procédés de synthèse et de production des matériaux, traditionnellement conçus dans une logique d’économie linéaire et gourmands en énergie et en ressources, mobilisent les recherches. Composés de matières premières rares, difficiles à extraire et à purifier, ils nécessitent des traitements thermiques, mécaniques et chimiques (« heat, beat and treat »). Lorsqu’ils sont arrivés en fin de vie, leur recyclage est souvent limité à des procédés de dévalorisation (« downcycling »). On dispose d’une grande marge de manœuvre pour diminuer ces impacts (fig. 1).

Les matériaux naturels possèdent des propriétés qui sont une source d’inspiration pour les ingénieurs. Citons la légèreté des structures (bambou, os, du poisson-coffre, tiges de plantes), les propriétés mécaniques (coquille d’ormeau, soie d’araignée, troncs d’arbres), la résistance à l’impact (peau de pamplemousse, corne de rhinocéros) qui pourrait être mise à profit dans le bâtiment, la défense ou la santé, l’isolation et la conduction (ours polaire, escargot du désert, bec du toucan). Ou encore l’adhésion (moule, gecko, poulpe) et l’auto-cicatrisation (peau, lézard, sève d’hévéa), qui pourraient être exploitées en médecine notamment. Nous pouvons également imaginer des revêtements intelligents qui reprendraient les propriétés optiques des ailes des papillons Morpho ou des écailles de poisson, les propriétés aérodynamiques de la peau de requin ou des feuilles d’érable, ou qui seraient autonettoyants comme la feuille de lotus ou les ailes des cigales.

FIG 1 : Des procédés de production peu énergivores

Il ne s’agit pas simplement de trouver le meilleur matériau, mais de le concevoir avec des procédés innovants, dans des conditions de chimie douce (avec une pression et une température ambiantes, un solvant aqueux universel), à partir d’un nombre restreint de briques élémentaires constituées d’éléments chimiques abondants. Une panoplie de solutions a été éprouvée et sélectionnée par l’évolution, ce qui fixe le cadre de durabilité respectant les principes du vivant.

2. Conception

Des designs élégants et efficients

Depuis 3,8 milliards d’années, les organismes vivants maintiennent la vie sur Terre dans des conditions extérieures variables. L’évolution et la sélection naturelle ont permis de diversifier les structures et les fonctions mises en œuvre. Plus de 10 millions d’espèces ont colonisé tous les espaces habitables grâce à des solutions optimisées, durables et adaptées aux contraintes de leur environnement à un instant donné. Chacun des règnes du vivant – bactéries, champignons, plantes et animaux – contribue à la diversité des matériaux biologiques. On désigne par matériaux biologiques l’ensemble des matériaux constitutifs des organismes vivants : des enveloppes externes et des tissus internes aux briques élémentaires, comme les protéines et les polysaccharides à l’intérieur des cellules.

Les matériaux sont divisés en métaux, céramiques, polymères et composites. En regardant le vivant sous l’angle de la science des matériaux, les matériaux biologiques sont essentiellement des céramiques (comme les coquilles à base de sels de calcium et de silice) et des biopolymères (protéines, polysaccharides), sans oublier les matériaux composites associés dans différentes proportions. Les métaux sont présents dans le vivant sous forme d’oligo-éléments. À l’inverse, les matériaux manufacturés sont essentiellement des métaux et des céramiques.

Les matériaux biologiques atteignent des propriétés mécaniques tout à fait comparables aux matériaux manufacturés (fig. 2). Et ceci, malgré une très faible densité, rarement au-delà de 3 g/cm3, et à partir d’un nombre restreint de briques élémentaires de base, là où les matériaux manufacturés utilisent l’ensemble des éléments du tableau périodique. Les matériaux biologiques recouvrent une large gamme de rigidité (de 0,001 à 100 GPa) et de résistance mécanique à la rupture (de 0,1 à 1 000 MPa), comparables aux valeurs des matériaux manufacturés. Malgré ce recouvrement important, les matériaux manufacturés tels que les céramiques hautes performances et les alliages métalliques ont des valeurs de rigidité beaucoup plus élevées que celles des meilleurs matériaux naturels, pour répondre à des applications bien différentes. La soie fait exception, atteignant la ténacité extraordinaire de 1 000 MJ/m-3 avec un module élastique de 10 GPa – approchant celle du Kevlar.

FIG. 2 : Des propriétés mécaniques équivalentes à celles des matériaux manufacturés

Une caractéristique remarquable des matériaux biologiques est leur multifonctionnalité, issue de processus d’optimisation au cours de l’évolution. Une même structure peut être à l’origine de nombreuses fonctions : apparence optique, régulation thermique, mouillabilité, déformabilité… Ces matériaux présentent une certaine versatilité en étant auto-cicatrisants, par l’intermédiaire d’un fluide circulant ou de l’activité cellulaire, et adaptatifs selon des stimuli externes. Les éléments les plus abondants dans le monde vivant sont les atomes de carbone (C), d’hydrogène (H), d’oxygène (O) et d’azote (N), qui constituent à eux seuls 96 % de la matière vivante. En plus faibles quantités, on trouve le phosphore (P), le soufre (S) et quelques espèces ioniques : calcium (Ca2+), potassium (K+), sodium (Na2+) et chlore (Cl-). Les métaux, plus rares, sont présents en quantités infimes (oligo-éléments, biomiméralisation…). Cette composition très restreinte assure la recyclabilité, la biocompatibiltié et la disponibilité des ressources. Les organismes vivants ont des teneurs en eau très élevées : de 60 % (être humain) à 98 % (méduse). L’eau agit comme solvant universel des réactions biochimiques, dans des conditions de température et de pression modérées.

Les molécules biologiques universelles dans le monde vivant appartiennent à quatre classes : les protéines, les polysaccharides, les acides nucléiques et les lipides. Du point de vue chimique, ce sont des polymères (du grec, « polus », plusieurs, et « meros », partie). Ils sont constitués d’un grand nombre d’unités structurales de base (les monomères), rattachées par des liaisons covalentes.

- Une protéine est une séquence d’acides aminés qui possède une fonction biologique : catalyseur, hormone, anticorps, maintien structural... La fonction des protéines dépend de leur conformation tridimensionnelle. Lorsqu’une protéine perd sa conformation (à cause d’une exposition à la chaleur par exemple), elle n’est plus fonctionnelle.

- Les polysaccharides sont des macromolécules de glucides, soit des polymères dont l’unité de base est un sucre (ose). Ils peuvent contenir quelques centaines à quelques milliers d’oses. Dans le vivant, ils ont deux principales fonctions : les réserves énergétiques et le soutien structural de l’organisme.

- Les acides nucléiques sont des polymères formés à partir d’unités de base appelées nucléotides. Il existe deux types d’acides nucléiques : l’acide désoxyribonucléique (ADN) et l’acide ribonucléique (ARN). L’ADN, présent dans le noyau des cellules eucaryotes, est la molécule de stockage de l’information génétique nécessaire à la synthèse des protéines. L’information est contenue dans la séquence de nucléotides.

- Les lipides forment un groupe hétérogène de molécules ayant une caractéristique commune importante : ils ne se mélangent pas, ou très peu, avec l’eau. Les lipides s’auto-assemblent pour diminuer l’énergie aux interfaces de type eau-air ou eau-huile. Ils forment des structures géométriques variées selon la nature des lipides, leur concentration et la température. Les lipides jouent des rôles variés dans les organismes biologiques, pour le stockage de l’énergie, la communication hormonale et surtout la compartimentation : ce sont les constituants essentiels des membranes cellulaires.

Les minéraux jouent également un rôle essentiel dans les organismes vivants (équilibres hydriques et acido-basiques, propriétés mécaniques, agents métaboliques couplés à l’activité des protéines). Ils ne sont pas synthétisés par le vivant et sont donc prélevés dans l’environnement : par les racines, en continu, pour les végétaux et par l’alimentation, avec la possibilité de stockage chez les animaux.

La grande diversité des matériaux du vivant, obtenue à partir de quelques briques élémentaires (organiques et/ou minérales), repose sur une grande complexité d’organisation. Au-delà de leur composition chimique, les matériaux biologiques présentent une structure complexe à plusieurs échelles. En effet, la fabrication de ces matériaux par autoassemblage favorise la formation de structures supramoléculaires (fig. 3) sous la forme de fibres, de plaquettes, de cristaux liquides, de liposomes, de micelles, de membranes bicouches, de domaines cristallins…

FIG 3 : Des matériaux avec plusieurs niveaux d'organisation

Ces structures complexes sont maintenues par des liaisons faibles, faciles à produire dans des conditions de chimie douce. La multiplicité de ces interactions est responsable de l’effet global et permet donc de créer un matériau résistant à faible coût énergétique. Cette hiérarchisation de la matière à chaque ordre de grandeur est la clé pour transférer des propriétés nanométriques, intrinsèques, aux applications macroscopiques.

Dans le cas des composites, ces différents niveaux d’organisation produisent des matériaux aux propriétés décuplées par rapport à celles des composants initiaux et à la règle des mélanges. La chitine est le composé de base de matériaux biologiques aussi variés que la cuticule des insectes, la carapace des crustacés et la paroi des champignons. Cheveux, ongles, cornes, laine, sabots et écailles de reptile ont pour constituant principal la kératine. La carapace du homard présente par exemple huit niveaux d’organisation, des molécules de chitine (N-acetyl-glucosamine) à la structure multicouche en arrangement hélicoïdal aux faisceaux de fibres de chitine.

3. Mise en œuvre

Les techniques pour imiter la nature

Quels que soient les modèles biologiques et les potentiels secteurs d’application, l’enjeu des matériaux bio-inspirés repose sur le développement de procédés de synthèse et de manufacture industrialisables rendant accessible le haut degré d’organisation ou de structuration hiérarchique des matériaux allant du nanomètre à des dimensions macroscopiques.

Si les voies de synthèse à l’interface avec le vivant (bio-ressources, biotechnologies et biomatériaux) mais aussi les enjeux de la chimie douce (basse température et pression en milieu aqueux) pour la fabrication de structures minérales, organiques moléculaires/macromoléculaires ou composites sont bien évidemment des pierres angulaires des matériaux bio-inspirés, leur manufacture pour la réalisation d’objets, de designs ou de dispositifs est le dernier maillon pour leur conceptualisation, développement et appropriation.

On peut ici opposer deux techniques de manufacture selon l’utilisation de la matière pour élaborer un matériau. L’approche substractive, ou fabrication soustractive, consiste à découper, fraiser, graver, en d’autres termes à « enlever » de la matière à un bloc solide de matériau métallique, de plastique ou de bois. Ce procédé de manufacture est issu de la révolution industrielle.

L’approche additive recourt plus modérément et le plus efficacement possible à des ressources disponibles, permettant de « placer, localiser » la matière là où il faut. Elle comprend trois grands procédés clés pour l’industrie bio-inspirée du futur : la fabrication de surfaces ou d’objets micro- ou nanostructurés, la fabrication additive par impression 3D ou 4D et la stratégie d’auto-assemblage d’édifices macromoléculaires ou colloïdaux (fig. 4). Pour la fabrication de micro- et nano-objets ou de surfaces micro- et nanotexturées, on fait appel aux techniques de micro- ou nanofabrication issues des développements des technologies MEMS (microelectromechanical systems). Ces procédés reposent principalement sur le dépôt et la mise en forme de différentes couches, par une succession d’étapes ou la réplication à partir d’une surface microfabriquée. Par cette technique de moules et de contre-moules, il est possible d’obtenir un grand nombre de réplicas en utilisant des matériaux polymères.

FIG. 4 : Des processus pour créer des matériaux bio-inspirés

La fabrication additive ou impression 3D par une approche « bottom-up » converge vers le biomimétisme sur de nombreux critères, tels que la réduction de la génération de déchets et une fabrication à la demande sans passer par l’étape de la réalisation d’un moule. On peut ainsi concevoir des designs et des concepts complexes en optimisant l’utilisation de la matière. La fabrication additive permet de réaliser des structures multi-matériaux, composites, en gérant les transitions et les interfaces entre deux composants de manière graduelle ou hiérarchisée, voire d’immobiliser (photopolymérisation) ou d’orienter des charges-inclusions par des champs extérieurs (magnétiques). Des matériaux intelligents, c’est-à-dire capables de répondre à un changement de leur environnement (pH, lumière, température), peuvent être utilisés pour l’impression 4D.

Les procédés de fabrication par auto-assemblage d’une brique ou de plusieurs briques, par des interactions spécifiques à l’échelle (macro)moléculaire ou colloïdale, permettent de reproduire le haut niveau d’organisation et de hiérarchie présent au sein des matériaux du vivant. Ainsi, des macromolécules asymétriques en termes de polarité (tensioactifs) ou de composition chimique (copolymères à blocs) tendent à s’auto-organiser pour générer des assemblages supramoléculaires afin de minimiser au maximum l’énergie d’interaction (force de van der Waals) entre elles.

Dans la nature, couplés à des processus de chimie douce, les êtres vivants peuvent également créer des empreintes pour structurer le dépôt d’une phase minérale ou contrôler la croissance d’objets inorganiques. C’est le cas des diatomées, ces algues unicellulaires protégées par un exosquelette ou une coquille de silice poreuse. Leur structure poreuse peut être « mimée » en utilisant des procédés d’évaporation rapide en atmosphère humide, appelés « breath figure » (« figure de souffle »), qui reposent sur l’utilisation de la condensation de gouttelettes d’eau comme « modèle » de porosité. Une complexité supplémentaire peut être atteinte avec une hiérarchisation de la porosité en utilisant des copolymères à blocs, voire en mimant, en plus de la structure, la composition chimique avec des copolymères à blocs précurseurs de silice. Les matériaux développés présentent de nombreuses propriétés (filtration, photonique ou encore hydrophobie).

Comme les macromolécules, les colloïdes qui sont des suspensions de particules organiques ou inorganiques-métalliques, dont la taille est comprise entre 2 et 1 000 nm, peuvent servir de briques élémentaires pour générer des matériaux bio-inspirés. Leur stabilité en solution, résultant des forces inter-objets, permet de les assembler par des techniques de dépôt (« dip » et « spin coating »), mais aussi par des processus convectifs de simple évaporation du solvant, généralement de l’eau, pour former des cristaux-verres colloïdaux.

Ces auto-assemblages présentent à la fois des structurations de surface et des structures massiques qui peuvent interagir avec la lumière visible pour générer des « couleurs physiques » (sans colorant), aussi appelées « couleurs structurales ». Ces couleurs sont fondées sur des interférences optiques (loi de Bragg) et sont donc « contrôlées » par l’interaction entre les longueurs d’onde et la distance entre deux colloïdes, autrement dit leur diamètre. Si le diamètre est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de la lumière blanche, une couleur diffractée en fonction de l’angle apparaît. Ces assemblages peuvent aussi être réalisés sur des substrats réversiblement extensibles, qui peuvent déformer l’auto-assemblage dans le sens de l’étirement et créer une nouvelle organisation interagissant avec une autre longueur d’onde. Cette propriété est appelée effet « caméléon » ou « mécano-chromique ». Chez le caméléon, des cristaux sont dispersés dans un matériau étirable ou contractable, modifiant de la même manière l’auto-assemblage.

4. recherche

Un réseau d’expertise européen

Les matériaux représentent l’un des principaux domaines de développement du biomimétisme. Pour preuve, le nombre exponentiel de publications scientifiques mondiales sur le sujet. L’Europe, Allemagne et Suisse en tête, en fournit près de 40 %. Mais aussi par la création, ces dix dernières années, de centres de recherche d’excellence. À Stuttgart, le centre SFB TRR 141 (Biological design and integrative structures) étudie les structures et les matériaux biologiques pour des applications architecturales. À Fribourg, l’institut FIT - Interactive materials and bioinspired technologies est axé sur la science des matériaux (matière molle, propriétés mécaniques, production…), tandis que le B-Cube, à Dresde, se concentre sur les matériaux biologiques aux échelles moléculaires. Le Centre national de recherche (NCCR) sur les matériaux bio-inspirés, également à Fribourg, regroupe notamment les universités de Fribourg, l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ). Au Royaume-Uni, un centre dédié à la manufacture bio-inspirée, en amorçage, fédère déjà l’université Heriot-Watt d’Édimbourg, l’Imperial College de Londres et l’université de Cambridge.

En France, plus de 200 équipes de recherche ont été identifiées sur le sujet du biomimétisme. Plus d’une centaine d’entreprises, aussi bien des grands groupes que des PME, font appel à cette démarche, quel que soit leur secteur d’activité (énergie, construction, matériaux, cosmétiques...). La recherche en biomimétisme est interdisciplinaire et nécessite des collaborations originales. Si de nombreux laboratoires y contribuent, quelque 110 équipes explorent plus spécifiquement les matériaux du vivant ou bio-inspirés. Le Centre d’étude et d’expertise en biomimétisme (Ceebios) se positionne en structure d’intérêt général, visant à catalyser la richesse des compétences nationales du monde académique et de la R & D industrielle dans la bio-inspiration. Depuis 2014, il collabore avec plus de 100 laboratoires, entreprises (de la construction, l’automobile, l’aéronautique, l’énergie, la cosmétique…) et établissements d’enseignement afin d’accélérer le transfert de connaissances de la biologie vers d’autres disciplines. Il travaille en étroite concertation avec des réseaux internationaux et des institutions françaises (ministères, régions…). ?