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MatériauxDes chercheurs de l’EPFL essaient d’imiter la peau

Des scientifiques ont inventé une nouvelle méthode de fabrication de polymères composites qui imitent la résistance, la rigidité et la flexibilité de la peau.

Les scientifiques ont montré qu’un tube de trois millimètres de diamètre réalisé dans le matériau final peut supporter jusqu’à 10 kilos en traction et 80 kilos en compression, sans le moindre dommage structurel.
Les scientifiques ont montré qu’un tube de trois millimètres de diamètre réalisé dans le matériau final peut supporter jusqu’à 10 kilos en traction et 80 kilos en compression, sans le moindre dommage structurel.
EPFL

Pas facile d’imiter à la fois la résistance, la rigidité et la flexibilité de la peau, des tendons et des cartilages. Des scientifiques de l’EPFL ont pourtant réussi de se rapprocher un peu plus de ces tissus naturels: ils ont inventé une nouvelle méthode artificielle de fabrication des polymères composites (thermoplastiques).

L’équipe de chercheurs a décrit ce matériau flexible et résilient dans la revue scientifique Advances Functional Materials, a indiqué jeudi l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) dans un communiqué. Cette innovation pourrait être exploitée dans le domaine de la robotique souple ou servir au développement de prothèses de cartilage.

Tendons, peau ou cartilages présentent une combinaison unique de résistance et de rigidité: ces matériaux naturels peuvent supporter notre poids et nos mouvements, tout en tenant bon face aux fissures. Si ces qualités semblent aller de soi, elles restent toutefois hors de portée pour de nombreux matériaux artificiels, rappelle l’EPFL. Or ses scientifiques ont pu mettre au point une méthode pour manufacturer des polymères composites dont les caractéristiques s’approchent un peu plus des tissus naturels.

S’inspirer de la nature

D’ordinaire, les matériaux hydrogels synthétiques sont de deux types bien distincts. Les premiers sont durs et résistent aux charges, comme le verre ou certains polymères. Mais ils n’absorbent pas très bien l’énergie: la moindre fissure se propage dans leur structure. Les seconds résistent bien à la propagation des fissures, mais ils sont extrêmement souples. Si souples, en fait, qu’ils ne peuvent pas soulever des poids importants, explique l’EPFL.

Cela dit, certains matériaux naturels résistent à la fois aux charges et à la propagation des fissures. Ces composites – constitués de divers matériaux et protéines, dont le collagène – présentent une structure organisée avec précision de l’échelle nanométrique à l’échelle millimétrique. Par exemple, ce sont des fibres entortillées en des structures plus grandes, lesquelles s’ordonnent à leur tour en d’autres structures, et ainsi de suite.

«Nous sommes encore très loin de pouvoir contrôler la structure des matériaux sur une telle diversité d’échelles», tempère Esther Amstad, auteure principale de l’étude et professeure en matériaux à l’EPFL. Pour autant, deux de ses doctorants sont parvenus à s’inspirer de la nature. Concrètement, ils ont imité ses procédés pour assembler les éléments constitutifs des matériaux.

«La nature procède en encapsulant des briques de base dans des compartiments qu’elle relâche de manière locale, pour un meilleur contrôle de la structure du matériau final», explique Mme Amstad. «Nous avons suivi le même chemin, en construisant des compartiments pour nos briques de base, et en les assemblant en superstructure».

«Pâte» imprimée en 3D

Première étape, les chercheurs encapsulent des monomères (composés constitués de molécules simples et capables de former des polymères, ndlr) dans des gouttelettes d’émulsion d’eau et d’huile. Ces gouttelettes tiennent lieu de compartiment. A l’intérieur, les monomères se lient pour former un réseau de polymères.

Dès cet instant, les microparticules sont stables, mais les interactions sont encore faibles. Le matériau ne tient pas encore très bien ensemble, «un peu comme du sable et de l’eau dans un seau», illustre Mme Amstad.

Comme des éponges, ces microparticules sont extrêmement poreuses. Les scientifiques les imbibent avec un autre type de monomère, puis ils concentrent le tout. Ils obtiennent dès lors une sorte de pâte. Ils impriment ensuite cette pâte en 3D. Les monomères sont polymérisés sous une lampe UV et s’enchevêtrent avec les polymères formés pendant la première étape. C’est ainsi que la pâte se solidifie.

Le matériau final présente des propriétés remarquables en termes de résistance et de rigidité, soulignent les chercheurs. Ceux-ci ont par exemple pu démontrer qu’un tube de trois millimètres de diamètre peut supporter jusqu’à 10 kilos en traction et 80 kilos en compression, sans le moindre dommage structurel.

ATS/NXP