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Toiles d'araignée : on en sait plus sur leurs propriétés élastiques

Des chercheurs de l’Arizona State University sont parvenus à étudier en détail les propriétés élastiques des toiles d’araignée grâce à une méthode d’analyse non-invasive. Des travaux qui aideront à mieux comprendre ces structures pour des applications aussi variées que les gilets pare-balles ou les tendons artificiels.

À poids égal, certaines toiles d’araignées peuvent être jusqu’à cinq fois plus résistantes qu’une corde de piano. © Randolph Femmer, National Biological Information Infrastructure À poids égal, certaines toiles d’araignées peuvent être jusqu’à cinq fois plus résistantes qu’une corde de piano. © Randolph Femmer, National Biological Information Infrastructure

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Plus résistante que l’acier, et avec une mémoire de forme bien supérieure au latex : voici quelques avantages de la soie des araignées. Ces arachnides l’utilisent notamment pour tisser leurs toiles, créer un fil de sécurité pendant un saut, lors d’une chute volontaire pour fuir, ou encore pour emballer leurs œufs dans des cocons. Si la résistance mécanique de la soie d’araignée est connue, il restait des zones d’ombre sur les différentes propriétés élastiques des diverses parties d’une toile (fibres, jonctions, points de colle). Des chercheurs de l’Arizona State University, menés par Jeffery Yarger, lèvent un coin du voile.

Pour obtenir des informations sur la résistance mécanique d’un matériau, un test classique consiste à l’étirer jusqu’à la rupture. Par ce moyen, on peut observer la déformation en fonction de la force appliquée, et ainsi déterminer le module de Young, un coefficient qui caractérise la raideur de la matière. Mais au cours de cette déformation, des propriétés d’élasticité, de viscosité et de déformation plastique sont aussi à l’œuvre, et sont difficilement discernables les unes des autres.

Une méthode non-invasive pour analyser les toiles d’araignée

C’est sur ce point qu’a innové l’équipe de Jeffery Yarger. Pour analyser plus avant les propriétés élastiques des toiles d’araignée, ils ont utilisé la technique de diffusion Brillouin. Celle-ci emploie un laser de faible puissance. Lors de son passage dans la toile, le rayonnement laser provoque d’infimes déplacements des fils. De quoi en déduire des informations sur le comportement des différentes parties de la toile, notamment une estimation des contributions respectives de son élasticité, de sa plasticité et de sa viscosité, le tout sans la déformer ou la rompre. « Cette étude est unique, car on peut extraire toutes les propriétés élastiques de la soie d'araignée qui ne peuvent pas et n'ont pas été mesurées avec des tests conventionnels », explique Jeffery Yarger. Les travaux des chercheurs ont été publiés dans Nature Materials.

Une araignée femelle Nephila clavipes sur sa toile. Les propriétés mécaniques des toiles de cette espèce ont été caractérisées de manière non-invasive grâce à la diffusion Brillouin. © Jeffery Yarger
Une araignée femelle Nephila clavipes sur sa toile. Les propriétés mécaniques des toiles de cette espèce ont été caractérisées de manière non-invasive grâce à la diffusion Brillouin. © Jeffery Yarger

Les chercheurs suggèrent ainsi que les propriétés mécaniques des toiles d’araignées peuvent dépendre de la répartition de zones cristallines et amorphes. Par ailleurs, dans certaines études, on considère que le volume de soie est constant lorsqu’une tension est appliquée. Les chercheurs ont pu vérifier qu’en fait, lorsqu’on étire la soie, la matière qui la compose se contracte. Ils se sont également penchés sur la « supercontraction », une propriété unique de la soie d’araignée. En présence d’humidité, la soie peut l’absorber et se contracter. Parmi les quatre espèces d’araignées étudiées, ce sont les toiles de Nephila clavipes qui se contractent le plus, jusqu’à 50 % en présence d’un taux d’humidité dans l’air de 100 %.

L’araignée choisit les propriétés de sa toile en la tissant

Ce dernier résultat est cohérent avec l’hypothèse que les araignées peuvent changer les propriétés mécaniques de leurs toiles pendant la fabrication de la soie, en ajustant la proportion d’eau qu’elles contiennent. Ce type de comportement pourrait susciter le développement de matériaux bio-inspirés.

Pour Jeffrey Yarger, « ces informations devraient fournir des indications pour l'ingénierie structurelle de nombreux matériaux bio-inspirés, dans des domaines comme l'ingénierie des fibres synthétiques, pour créer des matériaux plus forts et plus élastiques ». Les applications de la structure de la soie d’araignée, qui « possède une combinaison unique de résistance mécanique et d'élasticité qui en fait l'un des matériaux les plus durs que nous connaissons », sont aussi variées que la composition de tendons artificiels ou de gilets pare-balles.


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