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Les grenouilles : muses modernes du monde fabuleux de la colle…

Publié le 15 novembre, 2007 | Pas de commentaires
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De nos jours les chercheurs en matériaux se tournent de plus en plus souvent vers la nature pour trouver leur inspiration. Les méthodes de micro-fabrication et les découvertes en biochimie ouvrent de nouveaux boulevards aux scientifiques. Cette communauté comprend et décrit depuis plus d’un demi-siècle les forces élémentaires régissant le micro-monde; mais la nature, l’évolution naturelle, a plus d’une longueur d’avance sur les chercheurs.

Vue d’une feuille
Adam Baker, Vue d’une feuille, 2007
Certains droits réservés.

Les êtres vivants interagissent avec le monde grâce à des combinaisons judicieuses de matériaux de fonctionnalité différentes et complémentaires. Un des exemples célèbres sont les pattes du gecko, un petit lézard capable de marcher la tête en bas sur n’importe quel plafond. La surface de ses pattes, recouverte de micro-poils, lui permet d’adhérer à toutes les surfaces connues, à la manière de Spiderman. Mais le fameux petit reptile est sur le point d’être détrôné par deux espèces de batraciens…

En ce mois d’octobre 2007 sont parus deux articles scientifiques décrivant de quelle manière des grenouilles ont inspiré des chercheurs dans le domaine de la colle. Afin de mieux comprendre la portée de ces découvertes, un petit rappel semble de rigueur: qu’est-ce qu’une colle? Il s’agit tout simplement d’un polymère qui assure une liaison mécanique entre deux surfaces. Simples a priori, les colles modernes sont le fruit d’un long développement. Ces matériaux doivent pouvoir créer des liens avec une autre surface, chose relativement difficile dès lors que ces liens doivent être assez solides pour assurer une bonne adhérence. Ces matériaux sont pour la plupart des polymères. Les longues molécules de polymères forment un véritable réseau trouvant à ses extrémités des groupements actifs qui assurent la liaison avec la surface que l’on veut coller(1). Les propriétés physico-chimiques et mécaniques du réseau se révèlent tout aussi importantes que les propriétés d’adhésion de leurs extrémités actives.

Les grenouilles dont il était question plus tôt ont aidé les chercheurs à deux niveaux: la grenouille australienne inspira la création d’une nouvelle classe d’adhésifs tandis que la grenouille indienne inspira un mode d’emploi menant à l’application d’un adhésif pour qu’il colle plus efficacement.

Le biologiste environnemental Mike Tyler, de l’Université d’Adelaïde, a étudié avec son équipe une espèce de grenouille, la Notaden bennetti, qui reste enfouie la plupart de l’année à un mètre de profondeur, pour ne sortir à la surface que pendant la saison des pluies(2). Pour se protéger des insectes, cette espèce de grenouille sécrète une substance collante. Après avoir déterminé la non-toxicité de la substance, les scientifiques ont vite compris que celle-ci pouvait avoir de nombreuses applications dans le domaine médical. En effet, contrairement à la plupart des adhésifs, cette colle peut servir à des usages internes. De plus, elle est efficace même sous l’eau, alors que la plupart des adhésifs ne résistent pas à un environnement liquide. Cette colle permet ainsi d’assembler toutes sortes de matériaux entres-eux: peau, os, muscles, etc. Pour compléter la définition de ce qu’est un adhésif, nous pourrions ajouter que les groupements actifs, ces extrémités gluantes du réseau polymérique, se révèlent très efficaces dans les interventions biomédicales.

Le réseau formé de protéine possède lui aussi des propriétés intéressantes. D’abord, il est flexible. Autrement dit, il n’est pas cassant comme le sont la plupart des colles. Surtout, il est perméable: il laisse passer les nutriments essentiels aux cellules de même que les cellules elles-mêmes. La colle qui en résulte apparaît donc comme le Graal des adhésifs dans le domaine biologique.

L’autre découverte reposant sur les composantes adhésives des grenouilles, réalisée par l’équipe indienne du professeur Abhijit Majumder, porte sur la morphologie du réseau polymérique de la colle (3,4). Ce sont de petites grenouilles arboricoles qui inspirèrent le chercheur et ses coéquipiers. Pour se mouvoir aisément sur les branches des arbres, ces batraciens doivent arriver à «coller» et «décoller» leurs pattes à volonté en plus d’user d’une substance adhésive suffisamment puissante pour soutenir leur poids. En examinant leurs pattes, les chercheurs ont découvert une complexe organisation spatiale des matériaux – une morphologie complexe, si l’on préfère. La surface de leur peau présente en effet de microcanaux, c’est-à-dire de petits capillaires, qui favorisent non pas l’adhésion mais plutôt la résistance à la rupture… phénomène qui mérite une explication.

Les mécanismes de la rupture d’un polymère sont bien connus: une ne zone de faiblesse, de microfissures, précède la fissure à proprement parler. Or les microcanaux possèdent des propriétés mécaniques bien différentes de celles du matériau qui l’entoure. Le résultat de cette combinaison est que la fragilisation qui précède la rupture ne se propage pas: c’est plutôt la fissure qui prend fin! Ne fissurant pas, la colle est davantage efficace et démontre jusqu’à 30 fois plus de résistance. Les chercheurs indiens ont répété l’expérience en remplissant les microcanaux de différents fluides et les résultats sont très prometteurs. Ces microcanaux sont fonctionnels à la surface ou bien à quelques microns de celle-ci. Encore mieux, le polymère étant peu endommagé et les groupements adhésifs pour la plupart encore intègres, il est possible de recoller ce système quasiment à volonté. À terme, il est à prévoir que cette avancée révolutionnera l’usage de plusieurs produits adhésifs et que même les vis, les écrous et les clous seront appelés à disparaître, tout ça à cause d’une découverte inspirée par une petite grenouille.

Le monde de l’assemblage par collage, trivial a priori, est complexe et nécessite la maîtrise de connaissances pointues en chimie-physique des polymères. Néanmoins, les technologies actuelles sont encore loin du niveau de sophistication atteint au gré de milliards d’années d’évolution… Après la pomme de Newton, accueillons les grenouilles au panthéon des muses scientifiques.

Notes:

(1) http://en.wikipedia.org/wiki/Glue; consulté le 24-10-2007.
(2) Lloyd D. Graham, Veronica Glattauer, Mickey G. Huson, Jane M. Maxwell, Robert B. Knott, John W. White, Paul R. Vaughan, Yong Peng, Michael J. Tyler, Jerome A. Werkmeister, et John A. Ramshaw, «Characterization of a Protein-based Adhesive lastomer Secreted by the Australian Frog Notaden bennetti», Biomacromolecules, 6 (6) 2005, p. 3300-3312.
(3) W. Jon. P. Barnes, «Biomimetic Solutions to Sticky Problems», Science, 12, octobre 2007, p. 203-204.
(4) Bhijit Majumder, Animangsu Ghatak, et Ashutosh Sharma, «Microfluidic Adhesion Induced by Subsurface Microstructures», Science, 12, octobre 2007, p. 258-261.
(5) Moore, D.R., The application of fracture mechanics to polymers, adhesives and composites, Elsevier, 2004, p. 137-143.

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