Une étoile de mer ophiure montre comment fabriquer des céramiques résistantes

Une équipe de recherche internationale ont découvert sous l'eau, un processus de création de « lentilles optiques »

De gauche à droite: Stas Kozachevich, Yael Etinger-Geller, le professeur Boaz Pokroy, le Dr Iryna Polishchuk et le Dr Alex Katsman

 Une équipe de recherche internationale dirigée par le Département de science et ingénierie des matériaux du Technion-Israel Institute of Technology a découvert comment une belle étoile  de mer ophiure peut créer un matériau similaire au verre trempé sous l'eau dans les conditions ambiantes. Les résultats, publiés dans le numéro du 8 décembre de Science , pourraient ouvrir de nouvelles voies bio-inspirées pour renforcer les céramiques fragiles dans diverses applications.

Les chercheurs ont découvert le mécanisme de protection des lentilles hautement résistantes situées sur les bras d' Ophiocoma wendtii , une étoile de mer ophiure qui vit dans les récifs coralliens. Sur les bras de cette créature sont situées des centaines de lentilles focales qui détiennent des indices pour faire des céramiques complexe. Fait de craie, les lentilles sont puissantes et précises, et le déchiffrement de leur structure cristalline et nanométrique a occupé le chercheur principal, le professeur Boaz Pokroy et son équipe, au cours des trois dernières années.

Le professeur Pokroy étudie les matériaux créés par les organismes vivants et produit des matériaux synthétiques analogues en utilisant des méthodes inspirées par la nature. Les coquilles de mollusques, les perles, les os et les carapaces de tortues sont quelques exemples de biominéraux - des minéraux produits par la créature elle-même.

Professeur Boaz Pokroy
Professeur Boaz Pokroy

"Ce qui est impressionnant à propos des biominéraux, c'est qu'ils sont fabriqués à partir de matériaux disponibles pour l'organisme, par exemple, la craie", a déclaré le professeur Pokroy. «Les ingénieurs ne choisiraient jamais la craie comme matériau de construction durable, mais la nature utilise et utilise avec succès différentes stratégies de renforcement et de renforcement. De plus, les créatures produisent ces biominéraux dans les conditions disponibles, sans fours ni dispositifs générateurs de pression disponibles dans les laboratoires de recherche. Il est donc clair qu'en tant que scientifiques et ingénieurs, nous avons beaucoup à apprendre de ces processus. "

Dans un article paru dans Nature en 2001 , une équipe dirigée par le professeur Joanna Aizenberg (qui conseillera plus tard le professeur Pokroy au cours de sa recherche postdoctorale à l'Université Harvard) a d'abord décrit le système optique complexe d' Ophiocoma wendtiicomposé de lentilles microscopiques. matériau appelé calcite. Ces lentilles concentrent la lumière du soleil et projettent sur les centres nerveux qui transfèrent l'information au reste du corps à travers le système nerveux.

«Les lentilles Ophiocoma wendtii sont créées en haute mer, pas en laboratoire, et nous avons en effet découvert une stratégie pour rendre les matériaux fragiles beaucoup plus résistants et durables dans des conditions naturelles», a déclaré le professeur Pokroy. «Il s'agit d'un« génie du cristal »et de la trempe sans chauffage ni trempe - un processus qui pourrait être très utile en science et génie des matériaux».

A titre de comparaison, le verre trempé et le béton précontraint sont produits en exerçant une pression qui comprime le matériau et le rend plus compact que son état naturel. La trempe du verre, par exemple, est réalisée en chauffant puis en refroidissant rapidement le matériau. Dans ce processus, l'extérieur du matériau se refroidit plus rapidement que l'intérieur et comprime ainsi l'intérieur.

Les chercheurs du Technion ont découvert que l'étape cruciale dans le processus de formation de la lentille est le passage de la phase amorphe - la phase entre liquide et solide - à la phase cristalline. A ce stade, les nanoparticules de calcite (qui sont plus riches en magnésium et caractérisées par une plus grande compacité à l'échelle atomique) se séparent du reste du matériau. La différence de concentration de magnésium dans les particules de calcite provoque divers degrés de dureté, de densité et de pression dans différentes régions du matériau. Les particules riches en magnésium pressent sur la partie interne de la lentille à mesure qu'elle cristallise, et la "tempèrent" en une matière cristalline claire et plus dure.

«Tout comme la nature fait preuve de créativité pour améliorer les capacités d'un organisme dans différents contextes tels que la force, la détection et l'autodéfense, l'efficacité de l'étoile fragile dans l'utilisation de matières premières existantes dans des conditions naturelles permet de créer des lentilles transparentes. "A déclaré le professeur Pokroy.

Les scientifiques et les ingénieurs peuvent maintenant essayer d'utiliser cette biostratégie nouvellement découverte dans le renforcement et le renforcement des matériaux céramiques synthétiques utilisés dans diverses applications allant des lentilles optiques aux turbocompresseurs automobiles et même aux implants biomatériaux.

La formation de lentilles de calcite a été découverte grâce à une longue série d'expériences dans diverses installations dont le synchrotron ESRF à Grenoble, en France et avec le microscope Titan au Technion. L'analyse mécanique analytique et expérimentale couplée a été menée et dirigée par le Prof. Nicola Pugno de l'Université de Trente et à temps partiel à l'Université Queen Mary de Londres et à la Fondation Edoardi Amaldi de l'Agence spatiale italienne. Le professeur Pokroy et neuf autres chercheurs du Technion sont responsables de l'article de Science: Dr. Iryna Polishchuk, Mme Avigail Bracha, Mme Yael Etinger-Geller, Mme Stas Kozachevich, M. Alex Katsman, M. Yaron Kauffmann, M. Davide Levy et M. Leonid Bloch. Parmi leurs collaborateurs figurent le Professeur Pupa Gilbert de l'Université du Wisconsin-Madison, le Dr. Gordon Hendler du Muséum d'Histoire Naturelle du Comté de Los Angeles, le Prof. Nicola Pugno de l'Université de Trento, le Dr. Paul Zaslansky de l'Hôpital de la Charité à Berlin, et scientifiques du Synchrotron de Grenoble. L'étude a été menée avec le soutien du Russell Berrie Nanotechnology Institute du Technion, de l'Alon Fellowship et du Conseil européen de la recherche.

A lire également :

Pour une meilleure expérience de lecture
veuillez consulter ce site en format portrait, merci :)