De la crevette à l’acier : introduction au travail des métaux inspiré de la nature

Les humains se tournent depuis longtemps vers la nature pour trouver des solutions, qu’il s’agisse de déchiffrer les mystères du vol ou de créer des matériaux plus résistants. Pour Javier Fernandez, professeur associé à l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), la nature est un modèle de développement durable. « Contrairement à l’ingénierie à forte intensité énergétique de notre société, la nature fonctionne dans un paradigme de pénurie et trouve des solutions sans avoir accès à des sources d’énergie intenses ou à des moyens de transport de matériaux », a-t-il observé.

La chitine, présente partout dans la nature, des crevettes aux coquillages en passant par les champignons, est une matière organique qui mérite d’être étudiée de plus près. En plus d’être la deuxième matière organique la plus abondante sur Terre, elle est solide et légère, ce qui en fait un matériau idéal pour de nombreuses applications d’ingénierie.

« La chitine a également une forte affinité pour les métaux », a déclaré le professeur associé Fernandez. « Nous avons décidé d’évaluer si cette affinité, combinée aux processus qui façonnent la cuticule, pouvait être utilisée pour produire des structures métalliques fonctionnelles de manière « biologique ». »

Dans la nature, les métaux, bien que rarement utilisés, peuvent être trouvés dans certaines structures chitineuses, telles que les cuticules et les exosquelettes des insectes et des crustacés. En creusant plus profondément dans l’affinité que les chitines et leurs dérivés ont pour les métaux, Fernandez et son équipe ont conçu une nouvelle approche du travail des métaux, qu’ils ont publiée dans leur article, « Une approche biologique du travail des métaux basée sur des colloïdes et des composites chitineux », dans la revue Matériaux fonctionnels avancés.

Grâce à l’utilisation d’une conception et d’une technologie inspirées de ces composés chitineux, l’équipe de recherche a démontré une nouvelle façon de produire des structures métalliques fonctionnelles sans les coûts énergétiques habituels.

Dans le travail traditionnel des métaux, des températures et des pressions élevées sont essentielles pour faire fondre et façonner les métaux. Cela contraste fortement avec la façon dont les métaux sont incorporés dans les matériaux chitineux dans la nature, ce qui se produit dans des conditions ambiantes.

Prenons l’exemple des composés métalliques présents dans les cuticules des arthropodes, comme les carapaces de crabe. En général, les métaux ne pénètrent dans la carapace du crabe qu’aux derniers stades du développement de la chitine. Celle-ci se rigidifie d’abord en une carapace par tannage et déshydratation avant que des métaux provenant de l’environnement ne s’y ajoutent.

Les chercheurs ont découvert que ce phénomène est similaire à celui observé lors de leurs expériences avec le chitosane, un dérivé de la chitine. Ils ont pu former des composites métalliques solides à température et pression standard en introduisant simplement de très petites quantités de chitosane et d’eau entre des particules de différents métaux.

Lorsque l’eau s’évapore, les molécules de chitosane reproduisent le processus de consolidation dans les cuticules, rassemblant les particules avec une telle force qu’elles deviennent un solide continu composé à 99,5 % de métal.

Fernandez compare le processus de fabrication à la formation du béton, expliquant : « En versant des particules métalliques dans du chitosane dissous et en les laissant « sécher », nous pouvons former des pièces métalliques massives sans les contraintes de la fusion. »

Bien que ces composites chitométalliques ne soient pas physiquement résistants, les chercheurs ont découvert que le matériau acquérait une bonne conductivité électrique et pouvait être imprimé en 3D. Dans le même temps, le matériau continuait à montrer une compatibilité avec d’autres biomatériaux malgré sa faible teneur en chitosane. Cela ouvre la possibilité d’introduire ces propriétés chitométalliques dans d’autres biomatériaux, tels que le bois et la cellulose.

Fernandez estime que cette technologie crée un nouveau paradigme de travail des métaux. Malgré son manque de résistance mécanique, le biomatériau fabriqué convient aux composants métalliques non porteurs, tels que les composants électriques ou les électrodes de batterie. Le travail des métaux pour certains composants peut désormais être effectué sans nécessiter beaucoup de ressources.

« Cette technologie ne remplace pas les méthodes traditionnelles mais permet de nouvelles méthodes de production complémentaires », a-t-il souligné.

Depuis lors, l’équipe de Fernandez a déposé avec succès un brevet pour la méthode de fabrication innovante et cherche maintenant à concevoir une nouvelle technologie pour développer des composants électroniques 3D biodégradables, qui peuvent ouvrir la voie à des méthodes de production plus efficaces et durables.