Déplacer les imprimantes 3D: les scientifiques cultivent de la nacre à partir de bactéries, parfaites pour fabriquer des bâtiments ou des os

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Réimprimé de Université de Rochester

Les matériaux synthétiques les plus solides sont souvent ceux qui imitent intentionnellement la nature.


Une substance naturelle que les scientifiques ont étudiée comme modèle pour créer des matériaux synthétiques est la nacre, également connue sous le nom de nacre.

Étant un matériau extrêmement résistant et rigide produit par certains mollusques et servant de couche de coquille intérieure, il comprend également la couche extérieure de perles, leur donnant leur éclat lustré.

Mais si les propriétés uniques de la nacre en font une source d’inspiration idéale dans la création de matériaux synthétiques, la plupart des méthodes utilisées pour produire de la nacre artificielle sont complexes et gourmandes en énergie.

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Aujourd'hui, un biologiste de l'Université de Rochester a inventé une méthode peu coûteuse et respectueuse de l'environnement pour fabriquer de la nacre artificielle en utilisant un composant innovant: les bactéries. La nacre artificielle créée par Anne S. Meyer, PhD, professeur agrégé de biologie à Rochester, et ses collègues est faite de matériaux produits biologiquement et a la ténacité de la nacre naturelle, tout en étant rigide et, étonnamment, pliable.

Photo de l'Université de Rochester / J. Adam Fenster

La méthode utilisée pour créer le nouveau matériau pourrait conduire à de nouvelles applications en médecine, en ingénierie et même dans la construction de bâtiments sur la lune.


Les propriétés mécaniques impressionnantes de la nacre naturelle proviennent de sa structure hiérarchique en couches, qui permet à l'énergie de se disperser uniformément à travers le matériau. Dans un article publié dans la revue Petit , Meyer et ses collègues décrivent leur méthode d'utilisation de deux souches de bactéries pour reproduire ces couches. Lorsqu'ils ont examiné les échantillons au microscope électronique, la structure créée par les bactéries était superposée de la même manière que la nacre produite naturellement par les mollusques.

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Bien que les matériaux inspirés de la nacre aient été créés de manière synthétique auparavant, les méthodes utilisées pour les fabriquer impliquent généralement des équipements coûteux, des températures extrêmes, des conditions de haute pression et des produits chimiques toxiques, explique Meyer. «Beaucoup de gens qui créent de la nacre artificielle utilisent des couches de polymère qui ne sont solubles que dans des solutions non aqueuses, un solvant organique, puis ils ont ce seau géant de déchets à la fin de la procédure qui doit être éliminé.

Cependant, pour produire de la nacre dans le laboratoire de Meyer, tout ce que les chercheurs ont à faire est de cultiver des bactéries et de les laisser reposer dans un endroit chaud. Ils créent une alternance de fines couches de carbonate de calcium cristallisé - agissant comme du ciment - et de polymère collant. Ils prennent d'abord une lame en verre ou en plastique et la placent dans un bécher contenant les bactériesSporosarcina pasteurii, une source de calcium et de l'urée (provenant de la miction). Cette combinaison déclenche la cristallisation du carbonate de calcium. Pour fabriquer la couche de polymère, ils placent la lame dans une solution de bactériesBacillus licheniformis, puis laissez le bécher reposer dans un incubateur.


Photo de l'Université de Rochester / J. Adam Fenster

À l'heure actuelle, il faut environ une journée pour accumuler une couche de carbonate de calcium et de polymère d'environ cinq micromètres d'épaisseur. Meyer et son équipe cherchent actuellement à revêtir d'autres matériaux comme le métal avec de la nacre et à essayer de nouvelles techniques pour fabriquer plus rapidement des matériaux plus épais ressemblant à de la nacre.

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L’une des caractéristiques les plus bénéfiques de la nacre produite dans le laboratoire de Meyer est qu’elle est biocompatible - faite de matériaux que le corps humain produit ou que les humains peuvent manger naturellement de toute façon. Cela rend la nacre idéale pour les applications médicales comme les os artificiels et les implants, dit Meyer. «Si vous vous cassez le bras, par exemple, vous pouvez insérer une épingle métallique qui doit être retirée lors d'une deuxième intervention chirurgicale après la guérison de votre os. Une épingle faite de notre matériau serait rigide et résistante, mais vous n’auriez pas à la retirer. »

Et, bien que le matériau soit plus résistant et plus rigide que la plupart des plastiques, il est très léger, une qualité particulièrement précieuse pour les véhicules de transport comme les avions, les bateaux ou les fusées, où chaque livre supplémentaire signifie du carburant supplémentaire. Parce que la production de nacre bactérienne ne nécessite aucun instrument complexe et que le revêtement de nacre protège contre la dégradation chimique et les intempéries, il est prometteur pour les applications de génie civil telles que la prévention des fissures, les revêtements protecteurs pour le contrôle de l'érosion ou la conservation des artefacts culturels, et pourrait être utile dans l'industrie alimentaire, en tant que matériau d'emballage durable.

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La nacre pourrait également être un matériau idéal pour construire des maisons sur la lune et d'autres planètes: les seuls «ingrédients» nécessaires seraient un astronaute et un petit tube de bactéries, dit Meyer. «La lune a une grande quantité de calcium dans la poussière de lune, donc le calcium est déjà là. L'astronaute apporte les bactéries, et l'astronaute fabrique l'urée, qui est la seule autre chose dont vous avez besoin pour commencer à fabriquer des couches de carbonate de calcium.

Au-delà de ses qualités de matériau de structure idéal, la nacre elle-même - comme le sait tout propriétaire de bijoux en perles - est très belle. Qui ne veut pas un peu plus de beauté au monde?

(REGARDERla vidéo éducative ci-dessous)


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