Comme mère nature

Aidée par les logiciels, la science booste le développement des nouveaux matériaux

David L. McDowell and Reza Sadeghi
30 December 2017

8 minutes

Pendant des millions d’années, à partir de quelques éléments de base, la nature a créé des matériaux techniques capables de se réparer tout seuls, de changer de structure et de se décomposer en fin de vie. Aujourd’hui, l’informatique aide les chercheurs à reproduire ces qualités dans des matériaux fabriqués — en beaucoup moins de temps et avec des résultats prévisibles.

Les scientifiques de l’Université de Wake Forest en Caroline du Nord, ont récemment cultivé une oreille humaine dans une boîte de Pétri. Ils ont d’abord utilisé du matériel cellulaire et une imprimante 3D pour créer le cartilage de l’oreille. 
Ensuite, ils ont fait pousser l’oreille — avec les vaisseaux sanguins nécessaires pour la maintenir en vie — en utilisant une matière synthétique conçue pour imiter la peau humaine.

Cette technologie révolutionnaire, une avancée majeure pour la médecine, promet d’aider les personnes blessées dans des accidents ou souffrant de graves brûlures. Cette technologie révolutionnaire, une avancée majeure pour la médecine, promet d’aider les personnes blessées dans des accidents ou souffrant de graves brûlures. à bien des égards, les scientifiques ont produit l’oreille de la même manière que la nature, d’abord en faisant se développer un échafaudage en matériau rigide, puis en donnant des instructions à la matière de la peau synthétique pour qu’elle se forme en réponse à divers déclencheurs chimiques.

Pour ceux d’entre nous qui travaillent dans le domaine de la science des matériaux, la combinaison des matières organiques et synthétiques, l’impression 3D et la croissance naturelle, agencées par un ensemble d’instructions codées comme l’ADN humain, est la réalisation d’un objectif de longue date. Mais les utilisations possibles des matériaux techniques s’étendent bien au-delà du monde de la médecine.

Un large éventail d’industries manufacturières de haute technologie crée une demande de matériaux fabriqués sur mesure qui peuvent être façonnés pour offrir un niveau de performance que les matériaux existants ne peuvent tout simplement pas égaler. Désormais, la science des matériaux et l’informatique s’associent pour aider les chercheurs à répondre à l’appel, rapidement et de manière durable.

L’IMPÉRATIF DE DURABILITÉ

Les créations de l’humanité ont besoin de quantités d’énergie considérables et génèrent des volumes de déchets importants. Pensez aux gravats produits pendant la construction d’un nouveau gratte-ciel ou à l’énergie consommée pour fabriquer un produit. La nature, au contraire, crée de nouveaux organismes avec le minimum d’énergie et de déchets, les optimise en fonction de leur environnement et les rend entièrement recyclables. En étudiant la nature, nous trouverons les éléments qui nous permettront de résoudre la plupart des problèmes de durabilité provoqués par l’homme et qui menacent notre planète afin de garantir la survie d’une population en croissance rapide.

Bien sûr, il a fallu à la nature 4 milliards d’années pour développer des matériaux étonnants tels que le bois et les carapaces de homard à travers le lent et douloureux tâtonnement du processus d’évolution. De toute évidence, il n’est pas question d’attendre 4 milliards d’années pour développer les nouveaux matériaux capables d’aider l’humanité à gaspiller moins.

La soie d’araignée renfermerait-elle la clé du développement d’un matériau renouvelable et biodégradable suffisamment résistant pour remplacer les câbles métalliques des ponts suspendus ? Le logiciel de simulation des matériaux aidera les scientifiques à trouver la réponse. (Image © iStock/tillsonburg)

En lieu et place, les scientifiques ont créé un logiciel qui imite l’évolution dans un environnement virtuel, un processus que nous avons appelé in silico parce que les simulations se déroulent dans le silicium d’un ordinateur.Au lieu de la laborieuse approche par essai-erreur qui teste des milliers de combinaisons possibles dans un laboratoire et rejette ce qui ne fonctionne pas, les capacités d’apprentissage automatique sophistiquées du logiciel identifient les combinaisons les plus prometteuses pour un objectif spécifique en l’espace de quelques minutes.

« EN ÉTUDIANT LA NATURE, NOUS TROUVERONS LES INDICES QUI NOUS PERMETTRONT DE RÉSOUDRE LA PLUPART DES PROBLÈMES DE DURABILITÉ PROVOQUÉS PAR L’HOMME QUI MENACENT NOTRE PLANÈTE, ET DE GARANTIR LA SURVIE D’UNE POPULATION EN CROISSANCE RAPIDE. »

La nature nous a donné le plan. La convergence des calculs haute performance et de la science des données nous a donné les moyens d’optimiser le processus et de l’appliquer à un ensemble de caractéristiques prédéfinies. Aujourd’hui, les spécialistes des matériaux de l’Institut des matériaux de Georgia Tech et les experts de Dassault Systèmes s’associent pour développer cette nouvelle science.

ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS LIMITÉS, VARIATIONS INFINIES

Une des merveilles de la nature est sa capacité à créer des millions de configurations différentes de molécules et de systèmes associés à partir de quatre éléments fondamentaux : le carbone, l’hydrogène, l’azote et le soufre (plus d’infimes quantités de quelques métaux communs). La nature combine ces éléments pour créer 20 acides aminés. En partant de cette petite boîte à outils, elle fabrique plus de 100 000 protéines différentes qu’elle assemble en millions de formes de vie incroyablement diversifiées possédant des milliards de caractéristiques uniques.

En étudiant la façon dont la nature assemble ses organismes, les scientifiques apprennent à fabriquer de nouveaux matériaux aux caractéristiques similaires à partir des mêmes éléments de base. Par exemple, les scientifiques ont longtemps été fascinés par le concombre de mer, un animal marin dont la peau peut devenir souple ou rigide en un clin d’œil pour répondre aux variations de température et d’acidité de son environnement. Aujourd’hui, un laboratoire du gouvernement américain a entrepris d’imiter cette capacité dans la conception des avions, pour permettre aux ailes d’être rigides pour les décollages et atterrissages, puis de devenir plus souples quand elles rencontrent des turbulences. Cette flexibilité accrue de l’aile permettra à l’appareil de glisser en douceur dans les turbulences, améliorant ainsi le confort des passagers.

La soie d’araignée renfermerait-elle la clé du développement d’un matériau renouvelable et biodégradable suffisamment résistant pour remplacer les câbles métalliques des ponts suspendus ? Le logiciel de simulation des matériaux aidera les scientifiques à trouver la réponse. (Image © iStock/tillsonburg)

Une autre qualité commune des matériaux naturels est l’auto-réparation. Brisez un os et c’est l’inflammation. Le corps réagit en envoyant du sang et des cellules souches à l’endroit de la fracture, dépose un composé appelé cal, et entame le processus de réparation. De la même manière, les scientifiques ont créé des matériaux synthétiques avec un système vasculaire qui pompe des agents « réparateurs » vers des parties endommagées du matériau. Des fluides tels que de la résine et un durcisseur, qui réagissent en se mélangeant, scellent automatiquement les fissures pour effectuer la réparation.

COMBLER L’ÉCART DES CONNAISSANCES

Aujourd’hui, nous trouvons de nouvelles solutions à d’anciens problèmes de façon tout à fait étonnante. Par exemple, le développement de batteries plus puissantes et plus durables est essentiel pour de nombreux domaines d’application, y compris celui de la voiture électrique. Or les technologies de batteries actuelles font appel à des produits chimiques corrosifs qui se transforment en déchets dangereux en fin de vie.

Plutôt que de se pencher sur une nouvelle combinaison de métaux générateurs de courant, Angela Belcher et ses collègues de l’Institut de technologie du Massachusetts (MIT) ont conçu un virus inoffensif pour « cultiver » des batteries très puissances. L’équipe a utilisé un bactériophage, un type particulier de virus qui n’infecte que les bactéries. Les instructions greffées sur l’ADN du phage ont ordonné aux bactéries de recueillir des tubes de carbone d’un milliardième de pouce de largeur, puis de les utiliser pour développer une électrode de batterie. Pour la première fois, Belcher et ses collègues ont réussi à créer des batteries qui peuvent être « cultivées » à température ambiante sur un échafaudage biologique.

Bien que des expériences comme celles-ci produisent des avancées significatives, il reste beaucoup à faire. Nous comprenons comment les composés de base s’assemblent à l’échelle nano, mais nous devons en savoir plus au niveau méso, gamme intermédiaire d’échelles de longueur où se trouvent les cellules. En appliquant une stratégie combinée de modélisation et d’expérimentation multi-échelle, et en faisant progresser la science des données des matériaux et l’informatique, l’Institut des matériaux de Georgia Tech dirige le travail de modélisation des relations entre la synthèse, le traitement et les structures matérielles accessibles au niveau méso, ainsi que les effets de ces structures de méso-niveau sur les propriétés et les performances des matériaux.

De nombreuses propriétés et réactions émergent de la structure au méso-niveau, y compris la résistance, la ductilité, la résistance à la rupture et la ténacité, l’émissivité d’énergie, la friction, la lumière et la couleur. Le centre de conception d’inspiration biologique de Georgia Tech, quant à lui, explore l’adaptation évolutive en quête d’inspiration pour la conception des matériaux.

Pour réduire les effets des turbulences sur les avions, les scientifiques travaillent au développement de matériaux qui imitent la peau du concombre de mer, qui a la particularité de pouvoir devenir souple ou rigide instantanément. (Image © iStock/naturediver)

Le fil de toile d’araignée est un bon exemple des avantages que peut apporter la recherche à méso-échelle. Ce matériau est incroyablement solide et résistant, mais très flexible. Les ingénieurs ont créé une soie d’araignée synthétique, mais seulement en quantité suffisante pour des petites structures. En appréhendant mieux le méso-niveau, nous pourrons créer des algorithmes qui nous indiquerons comment « dimensionner » la soie d’araignée pour l’utiliser dans des structures massives telles que les ponts et les échafaudages.

EN QUÊTE D’UN AVENIR SANS LIMITE

Confronté à des contraintes sur l’énergie, les matières premières et les méthodes d’élimination des déchets, notre monde a besoin d’alternatives plus efficaces aux matériaux et méthodes traditionnels.
 

« EN ÉTUDIANT LA FAÇON DONT LA NATURE ASSEMBLE SES ORGANISMES, LES SCIENTIFIQUES APPRENNENT À FABRIQUER DE NOUVEAUX MATÉRIAUX AUX CARACTÉRISTIQUES SIMILAIRES À PARTIR DES MÊMES ÉLÉMENTS DE BASE. »

Face à ces problèmes, les scientifiques s’interrogent : peut-on trouver des matériaux qui s’assemblent et s’autoréparent lorsqu’ils sont endommagés en utilisant un minimum d’énergie ? Peut-on créer des biomatériaux qui aident la planète à devenir un lieu plus agréable plutôt que d’ajouter à la charge toxique des toxines environnementales ? Peut-on imiter les processus de la nature pour développer une classe de matériaux vraiment durables ? Quels enseignements pouvons-nous tirer de l’adaptation évolutive pour nous guider dans la fabrication de matériaux nouveaux et améliorés ?

Nous assistons à l’avènement de puissantes technologies de calcul associées à l’apprentissage automatique qui aident les scientifiques à découvrir et créer de nouveaux matériaux en quelques mois ou quelques années tout au plus. L’humanité et la nature sont clairement les bénéficiaires de cette noble mission.

David L. McDowell est Regents’ Professor et titulaire de la chaire de transformation des métaux Carter N. Paden Jr., et directeur exécutif de l’Institut for Materials au Georgia Institute of Technology. Reza Sadeghi est directeur de la stratégie de la marque BIOVIA de Dassault Systèmes, qui développe des solutions pour les industries de transformation et le secteur des sciences de la vie.

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