En construisant une structure à partir d’ADN, puis en la recouvrant de verre, des chercheurs ont créé un matériau très résistant et de très faible densité.

Les matériaux à la fois résistants et légers pourraient améliorer tout ce qui existe, des voitures aux gilets pare-balles. Mais en général, ces deux qualités s’excluent mutuellement. Aujourd’hui, des chercheurs de l’université du Connecticut et leurs collègues ont mis au point un matériau extraordinairement solide et léger à partir de deux éléments de construction improbables : de l’ADN et du verre

« Pour une densité donnée, notre matériau est le plus solide que l’on connaisse », déclare Seok-Woo Lee, spécialiste des matériaux à l’université du Connecticut (UConn). Lee et ses collègues de l’Université de Californie, de l’Université de Columbia et du Laboratoire national de Brookhaven ont publié leurs résultats le 19 juillet dans Cell Reports Physical Science.

La force est relative. Le fer, par exemple, peut supporter 7 tonnes de pression par centimètre carré. Mais il est aussi très dense et très lourd, puisqu’il pèse 7,8 grammes par centimètre cube. D’autres métaux, comme le titane, sont plus résistants et plus légers que le fer. Et certains alliages combinant plusieurs éléments sont encore plus résistants. Les matériaux solides et légers ont permis de fabriquer des gilets pare-balles légers, de meilleurs appareils médicaux et des voitures et des avions plus sûrs et plus rapides.

Le moyen le plus simple d’augmenter l’autonomie d’un véhicule électrique, par exemple, n’est pas d’agrandir la batterie, mais plutôt de rendre le véhicule lui-même plus léger sans sacrifier la sécurité et la durée de vie. Mais les techniques métallurgiques traditionnelles ont atteint leurs limites ces dernières années, et les spécialistes des matériaux ont dû redoubler d’imagination pour mettre au point de nouveaux matériaux légers et très résistants.

Des scientifiques de l’UConn et du Brookhaven National Laboratory ont construit un matériau exceptionnellement solide et léger à partir d’ADN et de verre. La série d’images du haut (A) montre comment le squelette de la structure est assemblé avec de l’ADN, puis recouvert de verre. (B) montre une image du matériau obtenue au microscope électronique à transmission et (C) une image obtenue au microscope électronique à balayage, les deux panneaux de droite permettant de zoomer sur des caractéristiques à différentes échelles.

Aujourd’hui, Lee et ses collègues rapportent qu’en construisant une structure à partir d’ADN et en la recouvrant ensuite de verre, ils ont créé un matériau très résistant et de très faible densité. Le verre peut sembler un choix surprenant, car il se brise facilement. Cependant, le verre se brise généralement à cause d’un défaut – tel qu’une fissure, une rayure ou des atomes manquants – dans sa structure. Un centimètre cube de verre sans défaut peut résister à une pression de 10 tonnes, soit plus de trois fois la pression qui a fait imploser le submersible Oceangate Titan près du Titanic le mois dernier.

Il est très difficile de créer un grand morceau de verre sans défaut. Mais les chercheurs savaient comment fabriquer de très petits morceaux sans défaut. Tant que le verre a une épaisseur inférieure à un micromètre, il est presque toujours sans défaut. Et comme la densité du verre est bien inférieure à celle des métaux et des céramiques, toute structure faite de verre nanométrique sans défaut devrait être solide et légère.

L’équipe a créé une structure d’ADN auto-assemblé. À l’instar des Magna-tiles, des morceaux d’ADN de longueur et de composition chimique spécifiques se sont assemblés pour former le squelette du matériau. Imaginez la charpente d’une maison ou d’un bâtiment, mais en ADN.

Les Magna-Tiles sont un jeu de construction pour les enfants à base de tuiles magnétiques qui s’assemblent.

Oleg Gang et Aaron Mickelson, chercheurs en nanomatériaux à l’université de Columbia et au Center for Functional Nanomaterials de Brookhaven, ont ensuite recouvert l’ADN d’une très fine couche de matériau semblable à du verre, d’une épaisseur de quelques centaines d’atomes seulement.

Le verre n’a fait que recouvrir les brins d’ADN, laissant une grande partie du volume du matériau comme espace vide, un peu comme les pièces d’une maison ou d’un bâtiment. Le squelette de l’ADN a renforcé la fine couche de verre sans défaut, ce qui a rendu le matériau très solide, et les espaces vides constituant la majeure partie du volume du matériau l’ont rendu léger.

Ainsi, les structures en nanoréseaux de verre sont quatre fois plus résistantes et cinq fois moins denses que l’acier. Cette combinaison inhabituelle de légèreté et de résistance élevée n’avait jamais été réalisée auparavant.

« La capacité de créer des nanomatériaux à structure 3D à l’aide de l’ADN et de les minéraliser ouvre d’énormes possibilités d’ingénierie des propriétés mécaniques. Mais de nombreux travaux de recherche sont encore nécessaires avant que nous puissions l’utiliser en tant que technologie », déclare Oleg Gang.

L’équipe travaille actuellement avec la même structure d’ADN, mais en remplaçant le verre par des céramiques de carbure encore plus résistantes. Elle prévoit d’expérimenter différentes structures d’ADN pour déterminer celle qui rend le matériau le plus résistant. Les futurs matériaux basés sur ce même concept sont très prometteurs en tant que matériaux économes en énergie pour les véhicules et autres dispositifs qui privilégient la solidité. Seok-Woo Lee pense que la nanoarchitecture de l’origami d’ADN ouvrira une nouvelle voie pour créer des matériaux plus légers et plus résistants que nous n’avons jamais imaginés auparavant.

« Je suis un grand fan des films d’Iron Man et je me suis toujours demandé comment créer une meilleure armure pour Iron Man. Elle doit être très légère pour lui permettre de voler plus vite. Elle doit être très résistante pour le protéger des attaques ennemies. Notre nouveau matériau est cinq fois plus léger mais quatre fois plus résistant que l’acier. Nos nanoréseaux de verre seraient donc bien meilleurs que n’importe quel autre matériau structurel pour créer une armure améliorée pour Iron Man ».

https://today.uconn.edu/2023/07/strong-as-glass/#

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(23)00254-0