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Biomimétisme : une toile d'araignée... pour des analyses chimiques

Résistance et élasticité exceptionnelles : les propriétés étonnantes des fils que fabriquent les araignées intéressent depuis longtemps les scientifiques et les ingénieurs. Des start-ups se sont même mises à en produire artificiellement. Et voilà que des chercheurs suisses viennent ajouter une nouvelle qualité à ce matériau naturel. Selon eux, les soies des araignées pourraient avantageusement remplacer les fibres optiques en verre utilisées dans des capteurs optiques destinés à la détection de substances chimiques.

Une équipe de l’EPFL espère utiliser les soies produites par une petite araignée originaire d’Australie, Nephila edulis, pour concevoir des détecteurs optiques de substances chimiques. © gailhampshire, Flickr, CC by 2.0 Une équipe de l’EPFL espère utiliser les soies produites par une petite araignée originaire d’Australie, Nephila edulis, pour concevoir des détecteurs optiques de substances chimiques. © gailhampshire, Flickr, CC by 2.0

Biomimétisme : une toile d'araignée... pour des analyses chimiques - 2 Photos
nephila edulis

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Remplacer les fibres optiques classiques, en verre, pour des fils de soie produits par des araignées : un groupe de réflexion de l’Agence spatiale européenne a eu cette idée. Ces fils sont en effet parfaitement cylindriques, réguliers, transparents et d’une très grande solidité. Et c’est une équipe de l’EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) spécialisée dans les capteurs optiques de substances chimiques utilisant des fibres optiques qui s’en est saisie.

Rappelons que pour détecter un gaz, il existe deux grandes catégories de solutions : la détection chimique – au cours de laquelle il y a interaction chimique entre le gaz à détecter et le capteur – et la détection optique. Dans ce dernier cas, un rayon lumineux est utilisé pour sonder les caractéristiques optiques du gaz à détecter. Les capteurs optiques exploitent, par exemple, un changement d’intensité ou de phase du rayon lumineux. Et les fibres optiques peuvent alors jouer un rôle de simples moyens de transmission des informations, ou bien un rôle plus complexe si elles intègrent le capteur.

Les fils d'araignées, quant à eux, sont à la fois d’une solidité et d’une élasticité exceptionnelles. À tel point qu'ils ont longtemps été considérés comme les matériaux les plus solides du monde avant d'être récemment détrônés par les dents de patelles. Leur résistance à un impact est toutefois supérieure à celle du Kevlar. Des caractéristiques qui suscitent depuis longtemps l’intérêt des chercheurs qui lui ont déjà imaginé bon nombre d’applications : gilets pare-balles, câbles de suspension et même tendons, ligaments ou points de suture. Car la soie d’araignée est aussi biocompatible.

Les fils d’araignée sont tendus sur de minuscules supports. En présence d’un gaz, leur structure se modifie légèrement et la façon dont ils conduisent la lumière avec elle. © Alain Herzog, EPFL
Les fils d’araignée sont tendus sur de minuscules supports. En présence d’un gaz, leur structure se modifie légèrement et la façon dont ils conduisent la lumière avec elle. © Alain Herzog, EPFL

Détection optique et structure des fils

C’est de sa structure même que la soie d’araignée tire toutes ces propriétés. Et bien d’autres encore peut-être. Les protéines enroulées sous forme d’hélices que l’on trouve dans les fils de ces petites bêtes, sont en effet constituées de polymères, des molécules longues et solides. Et les liens qui les unissent sont sensibles à certaines substances chimiques. Ainsi, par exemple, mises en présence de molécules polaires, comme l’acide acétique ou l’ammoniac, les hélices des fibres de soie se déroulent. La façon dont elles conduisent la lumière s’en voit modifiée. Un phénomène qui peut être utilisé pour concevoir des détecteurs optiques.

Le procédé est simple. Des fils de soie d’araignée d’un diamètre de 5 microns sont tendus sur de minuscules supports. Un faisceau laser est envoyé au travers de ces fibres naturelles. À la sortie, un analyseur de polarisation mesure les modifications, même infimes, de la manière dont la fibre conduit la lumière. Ces modifications trahissent la présence d’un gaz dans l’environnement du fil de soie, ce qui peut être exploité dans des capteurs optiques de substances chimiques. D’autant que les chercheurs de l’EPFL évoquent déjà la possibilité de leur adjoindre des molécules destinées à réagir avec des substances bien précises. D’autant aussi que, la soie d’araignée étant biodégradable, elle pourrait facilement être intégrée dans un organisme.

Mais la vraie découverte des chercheurs suisses est encore ailleurs puisque, non seulement la structure du fil d’araignée se modifie en présence d’un gaz mais en plus, cette modification est réversible. Les futurs capteurs optiques de substances chimiques à base de soie d'araignée ne seront donc pas à usage unique.

Pour l’heure, les études des chercheurs de l’EPFL n’en sont encore qu’à leurs balbutiements. Mais les experts des fibres optiques semblent déjà très enthousiastes. Si ces belles promesses venaient à se confirmer, il faudrait encore que les spécialistes du biomimétisme fassent des progrès en matière de production industrielle de soies synthétiques. Car aujourd’hui, les fils d’araignée artificiels sont coûteux et… moins performants que les fibres naturelles sur lesquelles travaillent les chercheurs suisses.

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


Une toile d’araignée se compose de fils de soie que l’arachnide génère à partir de glandes spéciales. Cette soie possède à la fois une solidité et une élasticité exceptionnelle. Unisciel et l’Université de Lille 1 nous expliquent, avec la série Kézako, les secrets des toiles d’araignées.


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