Des objets en fibres naturelles imprimés en 3D par Lola Ben-Alon et le Natural Materials Lab ont été exposés lors de la London Craft Week. (Crédit : Dan Weill)
Selon une nouvelle étude menée par des scientifiques de l’Université du Colorado à Boulder, un ingrédient qui donne à la crème glacée une texture plus onctueuse pourrait faciliter l’impression 3D de matériaux naturels comme l’argile et le sable en structures durables.
Cette découverte pourrait permettre de transformer les déchets de construction en matériaux de construction ayant un impact environnemental moindre.
« Des termitières aux bâtiments en adobe, les humains et les animaux construisent avec la terre depuis la nuit des temps », explique Wil Srubar , professeur au département de génie civil, environnemental et architectural. « Mais les techniques utilisées par les bâtisseurs en terre pour concevoir leurs matériaux restent peu étudiées scientifiquement. Nous avons donc souhaité utiliser des connaissances et des outils scientifiques pour mieux comprendre ce phénomène. »
Dans la nature, les termites construisent d’imposantes termitières. Les guêpes bâtissent des nids complexes et les vers à miel créent des structures récifales le long des côtes. Au lieu d’utiliser du ciment, ces organismes emploient des biopolymères, de grosses molécules biologiques agissant comme de la colle et souvent présentes dans la salive, pour lier des matériaux naturels tels que la terre et l’argile.
Inspirés par les créations de la nature, Srubar et son équipe, comprenant des chercheurs de l’université Columbia de New York, ont entrepris d’étudier quel biopolymère pourrait lier les matériaux terrestres et les rendre imprimables en 3D.
L’équipe a testé cinq biopolymères, dont la gomme de guar (issue de légumineuses), la gomme de caroube et la gomme de cassia. Ces composés sont couramment utilisés dans des produits alimentaires comme les vinaigrettes pour empêcher la séparation de l’huile et de l’eau. Ils ont également étudié l’alginate de sodium, dérivé d’algues, et la gomme xanthane, produite par fermentation du sucre.
Les chercheurs ont découvert que la gomme de caroube pouvait lier étroitement les matériaux terreux en formant un réseau plus dense entre les particules de sol. Cependant, ce même effet rendait le matériau plus difficile à faire passer à travers la buse d’une imprimante 3D.
L’alginate de sodium, souvent présent dans les crèmes glacées et utilisé pour fabriquer des aliments sphériques comme les perles de tapioca, a produit l’effet inverse. Au lieu de se comporter comme une colle, ce polymère a modifié les charges électriques des particules d’argile, les amenant à se repousser, à l’instar de deux aimants de même pôle qui se repoussent.
Par conséquent, l’ajout d’alginate de sodium à l’argile et au sable a permis d’obtenir des matériaux qui ont permis aux particules de se suspendre dans un mélange stable tout en s’écoulant sans problème à travers une imprimante 3D.
À gauche : « Rituels de terre », présenté à la Biennale d’architecture de Venise 2026, est réalisé à partir de matériaux de terre imprimés en 3D. (Crédit : Alessandro Terranova) ; au centre : détails des briques de terre. (Crédit : Alessandro Terranova) ; à droite : un récipient vertical en matériaux de terre. (Crédit : Lola Ben-Alon et le Laboratoire des matériaux naturels)
L’équipe s’est ensuite mise en quête de la formulation optimale. À de la terre naturelle extraite d’une carrière de granit près de Golden, dans le Colorado, ils ont ajouté seulement 0,12 % d’alginate de sodium, obtenant ainsi un matériau à la fois résistant et imprimable. Ce matériau pouvait supporter une pression 25 % supérieure à celle de la terre sans biopolymère et son impression était 33 % plus rapide.
À l’aide de cette formule, l’équipe a imprimé un mur de 8 millimètres d’épaisseur incliné vers l’extérieur selon des angles impressionnants. Ils ont constaté que la structure restait stable même inclinée à 60 degrés, une inclinaison bien plus prononcée que celle de la tour de Pise.
Bien que l’étude actuelle se concentre principalement sur l’amélioration de l’imprimabilité des matériaux terreux, Srubar a déclaré que les scientifiques pourraient utiliser le même cadre pour tester d’autres biopolymères afin d’améliorer leurs propriétés telles que la résistance et la durabilité.
« La présence de terre dans un bâtiment présente des avantages environnementaux importants », explique Samuel Armistead , chercheur associé au département de génie civil, environnemental et architectural. « Elle régule l’humidité intérieure et absorbe les polluants atmosphériques. Elle agit également comme isolant thermique, maintenant une température agréable en été et en hiver. »
Les chantiers de construction génèrent souvent d’importantes quantités de terre excavée lors du creusement des fondations, des sous-sols ou des parkings. Une grande partie de ces matériaux finit dans les décharges.
« Notre étude suggère qu’il existe des moyens de réutiliser les déchets de terre sur le chantier, ce qui pourrait considérablement réduire l’empreinte environnementale de la construction », a déclaré Armistead.
Comme l’argile et le sable sont largement disponibles, Srubar a indiqué que les conclusions de l’équipe pourraient aider les constructeurs du monde entier à exploiter les ressources locales.
« L’argile et le sable comptent parmi les matériaux de construction les plus abondants sur Terre », a déclaré Srubar. « Les connaissances scientifiques et techniques que nous développons peuvent être appliquées presque partout dans le monde. »
