Alors que le monde se débat avec le changement climatique, il est urgent de trouver des moyens de réduire nos émissions de CO ? émissions. Les secteurs qui dépendent fortement des combustibles fossiles, comme l'énergie et aviation, sont généralement considérés comme les pires contrevenants. Mais ce que la plupart des gens ne réalisent pas, c’est qu’il ya un autre coupable, caché à la vue de tous; dans les rues de nos villes et dans les bâtiments où nous vivons et travaillons.

En 2007 seul, acier et béton étaient-ils chacun responsables de plus de CO ? émissions que l’ensemble de l’industrie aéronautique mondiale. Avant d'arriver sur le chantier, l'acier et le ciment doivent être traités à des températures très élevées, ce qui nécessite beaucoup d'énergie. Alors comment réduire notre dépendance à ces matériaux « sales », alors qu’ils jouent un rôle si crucial dans la construction ?

Une option consiste à utiliser des matériaux naturels, tels que le bois. Les humains ont construit avec du bois pour des milliers d'années, et les structures en bois sont connaît actuellement une résurgence mineure - en partie parce que c'est un matériau bon marché et durable.

Mais il y en a inconvénients de la construction en bois; le matériau peut gondoler dans des conditions humides et est susceptible aux attaques d'organismes nuisibles tels que les termites. Et bien que les matériaux naturels, tels que le bois, soient attrayants du point de vue de l'environnement, ils peuvent ne pas satisfaire les ingénieurs qui souhaitent fabriquer des composants de formes ou de tailles spécifiques.

Copier la vie

Alors que se passe-t-il si, au lieu d'utiliser des matériaux naturels tels que nous les trouvons, nous fabriquons de nouveaux matériaux inspirés de la nature? Cette idée a commencé à gagner du terrain dans la communauté des chercheurs des 1970 et a vraiment explosé dans les 1990, avec le développement de nanotechnologie et méthodes de nanofabrication. Aujourd'hui, il constitue la base d'un nouveau domaine de recherche scientifique: la «biomimétique» - littéralement «copier la vie».

Les cellules biologiques sont souvent appelées «les blocs de construction de la vie”, Car ce sont les plus petites unités de matière vivante. Mais pour créer un organisme multicellulaire comme vous ou moi, les cellules doivent s'agglutiner avec une structure de support pour former les matériaux biologiques dont nous sommes constitués, tels que les os, les cartilages et les muscles. Ce sont des matériaux comme ceux-ci, auxquels les scientifiques intéressés par la biomimétique se sont tournés vers l'inspiration.

Pour fabriquer des matériaux biomimétiques, nous devons bien comprendre le fonctionnement des matériaux naturels. Nous savons que les matériaux naturels sont aussi des «composites»: ils sont constitués de plusieurs matériaux de base différents, chacun ayant des propriétés différentes. Les matériaux composites sont souvent plus légers que les matériaux à un seul composant, tels que les métaux, tout en conservant les propriétés souhaitables telles que la rigidité, la résistance et la ténacité.

Fabrication de matériaux biomimétiques

Les ingénieurs en matériaux ont passé des décennies à mesurer la composition, la structure et les propriétés de matériaux naturels tels que l'os et la coquille d'œuf. Nous en connaissons donc maintenant les caractéristiques.

Par exemple, nous savons que l'os est composé de protéines hydratées et de minéraux, dans des proportions presque égales. Le minéral confère rigidité et dureté, tandis que la protéine confère ténacité et résistance à la rupture. Bien que les os puissent se briser, ils sont relativement rares et présentent l’avantage d’être autocicatrisation - une autre caractéristique que les ingénieurs tentent d’apporter aux matériaux biomimétiques.

Comme la coquille d’œuf, la coquille d’œuf est un matériau composite, mais elle se situe autour de 95% de minéraux et uniquement de 5% de protéines hydratées. Pourtant, même cette petite quantité de protéines suffit à rendre la coquille d’œuf très dure, compte tenu de sa finesse - comme l’auront remarqué la plupart des cuisiniers du petit déjeuner. Le prochain défi consiste à transformer cette connaissance en quelque chose de solide.

Il existe deux manières d'imiter des matériaux naturels. Vous pouvez soit imiter la composition du matériau lui-même, soit copier le processus de fabrication du matériau. Étant donné que les matériaux naturels sont fabriqués par des créatures vivantes, aucune de ces méthodes ne fait intervenir de hautes températures. En tant que tels, les matériaux biomimétiques - appelons-les «néo-os» et «néo-œufs» - nécessitent beaucoup moins d'énergie pour produire que l'acier ou le béton.

En laboratoire, nous avons réussi à fabriquer échantillons à l'échelle centimétrique de néo-os. Pour ce faire, nous préparons différentes solutions de protéines avec les composants qui composent l’os minéral. Un matériau composite néo-osseux est ensuite déposé à partir de ces solutions de manière biomimétique à la température corporelle. Il n'y a aucune raison pour que ce processus - ou une version améliorée et plus rapide de celui-ci - ne puisse être mis à l'échelle industrielle.

Bien sûr, l'acier et le béton sont omniprésents, de sorte que la façon dont nous concevons et construisons les bâtiments est optimisée pour ces matériaux. Pour commencer à utiliser des matériaux biomimétiques à grande échelle, nous devrions repenser complètement nos codes et normes de construction pour les matériaux de construction. Mais si nous voulons construire de manière durable les villes futures, nous devons peut-être repenser en profondeur ce qui est nécessaire. La science en est encore à ses balbutiements, mais cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas rêver grand de l'avenir.