Le matériau synthétique semblable à de la gélatine imite l’étirement et la force du ventre du homard –

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  • Le ventre d’un homard est doublé d’une fine membrane translucide à la fois extensible et étonnamment résistante. Cette sous-armure marine, comme les ingénieurs du MIT l’ont rapporté en 2019, est fabriquée à partir de l’hydrogel le plus résistant connu dans la nature, qui se trouve également être très flexible. Cette combinaison de force et d’étirement aide à protéger un homard lorsqu’il grimpe sur le fond marin, tout en lui permettant de fléchir d’avant en arrière pour nager.

    Maintenant, une équipe distincte du MIT a fabriqué un matériau à base d’hydrogel qui imite la structure du ventre du homard. Les chercheurs ont fait passer le matériau à travers une batterie de tests d’étirement et d’impact et ont montré que, comme le dessous du homard, le matériau synthétique est remarquablement «résistant à la fatigue», capable de résister à des étirements et des tensions répétées sans se déchirer.

    Si le processus de fabrication pouvait être considérablement étendu, des matériaux fabriqués à partir d’hydrogels nanofibreux pourraient être utilisés pour fabriquer des tissus de remplacement extensibles et solides tels que des tendons et des ligaments artificiels.

    Les résultats de l’équipe sont publiés dans la revue Matière. Les co-auteurs de l’article au MIT comprennent les postdocs Jiahua Ni et Shaoting Lin; les étudiants diplômés Xinyue Liu et Yuchen Sun; professeur d’aéronautique et d’astronautique Raul Radovitzky; professeur de chimie Keith Nelson; le professeur de génie mécanique Xuanhe Zhao; et l’ancien chercheur David Veysset PhD ’16, maintenant à l’Université de Stanford; avec Zhao Qin, professeur adjoint à l’Université de Syracuse, et Alex Hsieh du Laboratoire de recherche de l’armée.

    La torsion de la nature

    En 2019, Lin et d’autres membres du groupe de Zhao ont développé un nouveau type de matériau résistant à la fatigue à base d’hydrogel – une classe de matériaux ressemblant à de la gélatine composée principalement d’eau et de polymères réticulés. Ils ont fabriqué le matériau à partir de fibres ultra-minces d’hydrogel, qui s’alignaient comme de nombreux brins de paille recueillie lorsque le matériau était étiré à plusieurs reprises. Cet entraînement a également augmenté la résistance à la fatigue de l’hydrogel.

    «À ce moment-là, nous avions le sentiment que les nanofibres dans les hydrogels étaient importantes et nous espérions manipuler les structures des fibrilles afin d’optimiser la résistance à la fatigue», explique Lin.

    Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont combiné un certain nombre de techniques pour créer des nanofibres d’hydrogel plus fortes. Le processus commence par l’électrofilage, une technique de production de fibres qui utilise des charges électriques pour extraire des fils ultrafins des solutions polymères. L’équipe a utilisé des charges haute tension pour filer des nanofibres à partir d’une solution de polymère, pour former un film plat de nanofibres, chacune mesurant environ 800 nanomètres – une fraction du diamètre d’un cheveu humain.

    Ils ont placé le film dans une chambre à humidité élevée pour souder les fibres individuelles dans un réseau robuste et interconnecté, puis ont placé le film dans un incubateur pour cristalliser les nanofibres individuelles à des températures élevées, renforçant ainsi le matériau.

    Ils ont testé la résistance à la fatigue du film en le plaçant dans une machine qui l’étirait à plusieurs reprises sur des dizaines de milliers de cycles. Ils ont également fait des encoches dans certains films et observé comment les fissures se propageaient lorsque les films étaient étirés à plusieurs reprises. À partir de ces tests, ils ont calculé que les films nanofibreux étaient 50 fois plus résistants à la fatigue que les hydrogels nanofibreux conventionnels.

    À cette époque, ils ont lu avec intérêt une étude de Ming Guo, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, qui a caractérisé les propriétés mécaniques du ventre d’un homard. Cette membrane protectrice est constituée de fines feuilles de chitine, un matériau fibreux naturel dont la composition est similaire aux nanofibres d’hydrogel du groupe.

    Guo a découvert qu’une coupe transversale de la membrane de homard révélait des feuilles de chitine empilées à des angles de 36 degrés, semblables à du contreplaqué torsadé ou à un escalier en colimaçon. Cette configuration en couches rotative, connue sous le nom de structure bouligand, a amélioré les propriétés d’étirement et de résistance de la membrane.

    «Nous avons appris que cette structure de bouligand dans le ventre du homard a des performances mécaniques élevées, ce qui nous a motivé à voir si nous pouvions reproduire de telles structures dans des matériaux synthétiques», explique Lin.

    Architecture angulaire

    Ni, Lin et les membres du groupe de Zhao ont fait équipe avec le laboratoire de Nelson et le groupe de Radovitzky à l’Institut des nanotechnologies des soldats du MIT et au laboratoire de Qin à l’Université de Syracuse, pour voir s’ils pouvaient reproduire la structure de la membrane bouligand du homard à l’aide de leurs films synthétiques et résistants à la fatigue. .

    “Nous avons préparé des nanofibres alignées par électrofilage pour imiter les fibres chiniques présentes dans le ventre du homard”, explique Ni.

    Après l’électrofilage des films nanofibreux, les chercheurs ont empilé chacun des cinq films dans des angles successifs de 36 degrés pour former une seule structure de bouligand, qu’ils ont ensuite soudée et cristallisée pour fortifier le matériau. Le produit final mesurait 9 centimètres carrés et environ 30 à 40 microns d’épaisseur – environ la taille d’un petit morceau de ruban adhésif.

    Les tests d’étirement ont montré que le matériau inspiré du homard fonctionnait de manière similaire à son homologue naturel, capable de s’étirer à plusieurs reprises tout en résistant aux déchirures et aux fissures – une résistance à la fatigue que Lin attribue à l’architecture inclinée de la structure.

    «Intuitivement, une fois qu’une fissure dans le matériau se propage à travers une couche, elle est gênée par des couches adjacentes, où les fibres sont alignées à différents angles», explique Lin.

    L’équipe a également soumis le matériau à des tests d’impact microballistique avec une expérience conçue par le groupe de Nelson. Ils ont imaginé le matériau pendant qu’ils le tiraient avec des microparticules à grande vitesse et mesuré la vitesse des particules avant et après la déchirure du matériau. La différence de vitesse leur a donné une mesure directe de la résistance aux chocs du matériau, ou de la quantité d’énergie qu’il peut absorber, ce qui s’est avéré être une résistance étonnamment élevée de 40 kilojoules par kilogramme. Ce nombre est mesuré à l’état hydraté.

    “Cela signifie qu’une bille d’acier de 5 millimètres lancée à 200 mètres par seconde serait arrêtée par 13 millimètres de matériau”, explique Veysset. “Il n’est pas aussi résistant que le Kevlar, qui nécessiterait 1 millimètre, mais le matériau bat le Kevlar dans de nombreuses autres catégories.”

    Il n’est pas surprenant que le nouveau matériau ne soit pas aussi résistant que les matériaux antibalistiques commerciaux. Il est cependant nettement plus robuste que la plupart des autres hydrogels nanofibreux tels que la gélatine et les polymères synthétiques comme le PVA. Le matériau est également beaucoup plus extensible que le Kevlar. Cette combinaison d’étirement et de résistance suggère que, si leur fabrication peut être accélérée et que davantage de films sont empilés dans des structures en bouligand, les hydrogels nanofibreux peuvent servir de tissus artificiels flexibles et résistants.

    «Pour qu’un matériau hydrogel soit un tissu artificiel porteur, il faut à la fois résistance et déformabilité», explique Lin. “Notre conception matérielle pourrait atteindre ces deux propriétés.”

    Cette recherche a été financée, en partie, par le MIT et le Bureau de recherche de l’armée américaine par le biais de l’Institut des nanotechnologies des soldats du MIT.

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