Le premier vol d'un papillon inspire une nouvelle méthode de production de force et d'électricité.

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par l'Université de technologie et de design de Singapour

Les ailes d'un papillon sont constituées de chitine, un polymère organique qui est le composant principal des carapaces des arthropodes tels que les crustacés et autres insectes. Lorsqu'un papillon émerge de sa chrysalide à la dernière étape de la métamorphose, il déplie lentement ses ailes dans toute leur grandeur.

Pendant le dépliage, le matériau chitinique se déshydrate tandis que le sang circule dans les veines du papillon, produisant des forces qui réorganisent les molécules du matériau pour lui conférer la résistance et la rigidité uniques nécessaires au vol. Cette combinaison naturelle de forces, de mouvement de l'eau et d'organisation moléculaire est à l'origine des recherches du professeur agrégé Javier G. Fernandez.

En collaboration avec d'autres chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), Fernandez étudie l'utilisation des polymères chitiniques comme matériau durable pour des applications d'ingénierie.

Dans leur dernière étude, intitulée "Secondary reorientation and hygroscopic forces in chitinous biopolymers and their use in passive and biochemical actuation", publiée dans Advanced Materials Technologies, l'équipe de recherche a mis en lumière l'adaptabilité et les changements moléculaires des matériaux chitiniques en réponse aux changements environnementaux.

Les chercheurs de la SUTD révèlent les capacités prometteuses de la chitine en tant que biomatériau intelligent et durable. Grâce à l'échange d'eau avec l'environnement, les films chitiniques sensibles à l'humidité peuvent générer de l'énergie mécanique et électrique pour une utilisation potentielle dans des applications d'ingénierie et biomédicales. Crédit : SUTD

"Nous avons démontré que même après avoir été extraits de sources naturelles, les polymères chitiniques conservent leur capacité naturelle à mettre en relation différentes forces, l'organisation moléculaire et la teneur en eau pour générer un mouvement mécanique et produire de l'électricité sans avoir besoin d'une source d'alimentation externe ou d'un système de commande", a déclaré Fernandez, soulignant les caractéristiques uniques qui rendent les polymères chitiniques économes en énergie et biocompatibles.

La chitine est le deuxième polymère organique le plus abondant dans la nature après la cellulose et fait partie de tous les écosystèmes. Elle peut être facilement et durablement obtenue à partir de plusieurs organismes, et la même équipe de recherche de la SUTD a démontré qu'elle peut même être obtenue à partir de déchets urbains.

Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont extrait des polymères chitiniques à partir de carapaces de crevettes jetées pour créer des films d'environ 130,5 micromètres d'épaisseur. Ils ont étudié les effets des forces externes sur ces films chitiniques, en se concentrant sur les changements d'organisation moléculaire, de teneur en eau et de propriétés mécaniques. Les chercheurs ont observé que, de manière similaire au dépliage des ailes des papillons, l'étirement des films chitiniques réorganisait la structure cristalline - les molécules devenaient plus étroitement emballées et la teneur en eau diminuait.

Initialement présentant des caractéristiques similaires à celles des plastiques courants, les films chitiniques ont été transformés en un matériau ressemblant à des plastiques pour des applications d'ingénierie haut de gamme et spécialisées. Contrairement à la nature inerte des polymères synthétiques, les films chitiniques réorganisés peuvent se détendre et se contracter de manière autonome en réponse aux changements environnementaux, de la même manière que certains insectes adaptent leur carapace à différentes situations. Cette capacité permet aux films chitiniques de soulever des objets pesant plus de 4,5 kilogrammes verticalement.

Pour démontrer l'applicabilité ingénieuse des films biocompatibles, l'équipe de recherche les a assemblés dans une main mécanique. En contrôlant l'eau intermoléculaire des films grâce aux changements environnementaux et aux processus biochimiques, l'équipe a créé une force suffisante pour que la main puisse effectuer un mouvement de préhension. De manière impressionnante, la force de préhension était équivalente à 18 kilogrammes, soit plus de la moitié de la force de préhension moyenne d'un adulte.

La capacité de produire une telle force grâce à des moyens biochimiques suggère également l'intégration potentielle sans couture des films chitiniques dans les systèmes biologiques et leur aptitude aux applications biomédicales, telles que les muscles artificiels et les implants médicaux.

Dans une démonstration différente, l'équipe a montré que la réponse du matériau aux changements d'humidité pouvait être utilisée pour récupérer l'énergie des changements environnementaux et la convertir en électricité. En fixant les films à un matériau piézoélectrique, le mouvement mécanique des films en réponse aux changements d'humidité était converti en courants électriques adaptés à l'alimentation de petits appareils électroniques.

Fernandez's proof-of-concept study illustrates how both the native mechanical characteristics and embedded functionalities of chitin can be reproduced, emphasizing the potential use of chitin in engineering and biomedical applications. He opines that materials like chitin play a vital role in the transition to a more sustainable paradigm, which he terms as the biomaterial age.

'Chitin is used for many complex functions in nature, from making the wings of insects to forming the hard protective shells of mollusks, and has direct engineering application. Our ability to understand and use chitin in its native form is critical to enable new engineering applications and develop them within a paradigm of ecological integration and low energy,' concluded Fernandez.

Journal information: Advanced Materials Technologies

Provided by Singapore University of Technology and Design