Des chercheurs fusionnent des fibres de soie pour obtenir des matériaux solides haute performance presque aussi résistants que le Kevlar.
Dans une nouvelle étude codirigée par des chercheurs de l’université Tufts aux Etats-Unis, de l’Imperial College de Londres et de l’université du Michigan, des scientifiques ont mis au point une méthode nettement améliorée pour transformer la soie en matériaux solides, une méthode qui préserve et renforce la résistance naturelle des fibres de soie.
Ces matériaux ont été fabriqués par fusion de fibres de soie dans des conditions de température et de pression rigoureusement contrôlées, sans additifs synthétiques. Ils se sont révélés plus performants que l’os et le bois et leur résistance à la traction est remarquablement proche de celle du Kevlar. L’étude a été publiée dans la revue Nature Sustainability .
La soie est admirée depuis longtemps pour sa polyvalence et sa résistance, et l’homme l’utilise pour la confection de textiles et de vêtements depuis des millénaires. Dans la nature, les insectes, notamment les araignées et les papillons, utilisent la soie pour fabriquer des cordes, des toiles, de la colle, des armures et des capteurs. Plus récemment, les ingénieurs ont adapté la soie aux implants biomédicaux, aux dispositifs électroniques et à d’autres applications de pointe en dissolvant les fibres et en les reconstituant sous de nouvelles formes.
La fusion de la soie à des températures et pressions croissantes confère différentes propriétés de résistance, de biodégradation et de comportement optique. La barre la plus à gauche a été créée à 95 °C et celle de droite à 245°C, les deux sous une pression de 5 100 atmosphères. Photo : Qichen Zhou
Cependant, cette approche a un coût : elle nécessite de grandes quantités d’eau, de produits chimiques, d’énergie et de temps.
« Le procédé traditionnel décompose les fibres naturelles en protéines de fibroïne de soie individuelles avant de les transformer en de nouvelles formes, ce qui entraîne une perte importante de la résistance intrinsèque des fibres d’origine », explique Chunmei Li, professeure adjointe de recherche à l’École d’ingénierie de Tufts. « Avec cette nouvelle méthode, il n’est plus nécessaire de dissoudre la soie : il suffit d’aligner les fibres, d’appliquer de la chaleur et de la pression, et elles fusionnent en une seule étape. »
Ce changement, en apparence anodin, fait toute la différence. En préservant la structure originelle des fibres de soie, le nouveau procédé conserve des caractéristiques qui confèrent au matériau obtenu une résistance exceptionnelle.
Comment est produite la soie fusionnée
Le matériau en soie fusionnée a été produit dans le laboratoire d’Emiliano Bilotti, professeur associé en composites polymères multifonctionnels et durables à l’Imperial College de Londres, en collaboration avec Li et David Kaplan, professeur titulaire de la chaire Stern Family en ingénierie à Tufts.
Li et Kaplan possèdent une vaste expérience dans le moulage thermoplastique de produits en soie destinés aux implants médicaux et à d’autres usages, et ils ont exploré l’utilité potentielle de ce nouveau matériau pour les applications médicales.
La nouvelle méthode commence avec des bobines de fibres de cocon de bombyx du mûrier disponibles dans le commerce, provenant de fournisseurs de produits textiles, qui sont ensuite traitées avec une solution douce de carbonate de sodium pour éliminer la séricine, l’adhésif collant recouvrant les fibres et qui aide les insectes à construire la structure du cocon.
Les fibres sont retirées du bain pour faciliter leur alignement, puis soumises à un pressage à chaud. Lors du chauffage, certaines parties de la structure moléculaire de la soie deviennent mobiles, permettant ainsi aux fibres voisines de se lier entre elles.
« La soie est comme un composite », explique Kaplan. « Elle comprend une phase amorphe et plus mobile des protéines de la fibre, et une partie de la chaîne protéique qui se replie pour former des surfaces lamellaires s’empilant en structures cristallines. Ensemble, ces deux phases confèrent aux fibres de soie leur résistance, leur ténacité et leur souplesse. Mais c’est la partie mobile qui permet aux fibres de fusionner sous l’effet de la chaleur et de la pression. »
Le degré de fusion entre les faisceaux de fibres dépend de la chaleur et de la pression appliquées. Des températures et des pressions plus basses donnent une structure plus lâche, tandis que des températures et des pressions plus élevées produisent un matériau plus dense et généralement plus résistant. Des températures trop élevées entraînent la rupture des fibres et une fragilité accrue.
Images agrandies de soie fusionnée sous différentes conditions de pressage à chaud. À gauche : 5 100 atmosphères et 95 °C. À droite : 10 200 atmosphères et 155 °C. Cette dernière présente une résistance mécanique et une résistance aux chocs supérieures grâce à une fusion plus poussée des fibres et à un transfert efficace des contraintes physiques. Photo : Qichen Zhou
Dans une plage de traitement optimale (températures comprises entre 95 et 245 °C et pressions comprises entre 1 900 et 9 800 atmosphères), on obtient un matériau remarquablement résistant qui conserve la majeure partie de l’organisation moléculaire de la soie d’origine ainsi qu’une macrostructure de fibres groupées et fusionnées.
Sous sa nouvelle forme, la soie fusionnée adopte une structure hiérarchique présentant certaines propriétés similaires à celles du bois. Dans les deux matériaux, les faisceaux de fibres sont alignés dans une même direction et liés entre eux par la lignine (dans le bois) ou par la fusion de régions protéiques amorphes (dans la soie). La liaison entre les faisceaux de fibres contribue à la transmission des contraintes, conférant ainsi une résistance considérable à l’ensemble de la structure.
La soie fusionnée est un matériau étonnamment résistant et solide, capable de rivaliser avec certains des meilleurs plastiques synthétiques, composites de fibre de verre et de fibre de carbone, tout en égalant la résistance naturelle du bois. Sa capacité à résister aux impacts balistiques surpasse celle de matériaux haute performance comme les composites polymères renforcés de fibres de carbone.
Des chercheurs du laboratoire de Nicholas Kotov, professeur de chimie et d’ingénierie à l’Université du Michigan, ont exploré les propriétés optiques remarquables de ce matériau. Transparent à la lumière visible, la soie fusionnée possède également la capacité unique de polariser le rayonnement térahertz, situé entre l’infrarouge et les micro-ondes.
Le rayonnement térahertz est utilisé dans des applications telles que les scanners corporels aéroportuaires, l’imagerie médicale et l’identification de produits chimiques, de drogues et d’explosifs. Kotov et son équipe s’intéressent particulièrement aux applications pour les communications 6G, qui pourraient transmettre des données jusqu’à des centaines de fois plus rapidement que les réseaux 5G. La polarisation pourrait également accroître la densité des informations encodées.
Adaptable à la médecine
Li et Kaplan ont évalué le comportement de la soie fusionnée dans l’organisme. Ils ont constaté que le matériau est à la fois stable et biocompatible, deux propriétés souvent difficiles à réunir.
Lors d’études animales, les échantillons implantés n’ont induit que de faibles réponses immunitaires, qui se sont atténuées avec le temps. Il est important de noter que l’interaction entre le matériau et les tissus environnants pouvait être modulée en modifiant le procédé de fabrication de la soie. Les matériaux moins denses permettaient aux cellules de s’infiltrer et de s’intégrer progressivement, tandis que les versions plus denses restaient stables et résistaient à la dégradation.
« Nous pouvons contrôler la vitesse de dégradation du matériau en fonction des conditions utilisées », a déclaré Li. Cette modularité pourrait élargir ses applications médicales potentielles. La soie fusionnée pourrait s’avérer utile en médecine régénérative, où une infiltration cellulaire progressive et une dégradation du matériau sont bénéfiques, ou comme implant durable pour un soutien à long terme.
Li a noté qu’une piste prometteuse pourrait être les applications orthopédiques : « Grâce à sa résistance, il pourrait potentiellement être utilisé pour des dispositifs de fixation comme des plaques, des broches et des vis comme supports pour les fractures osseuses. »
