Nouvelle soie d’araignée artificielle : Plus forte que l’acier et 98 % d’eau

La soie de l’humble araignée a des propriétés assez impressionnantes. C’est l’un des matériaux les plus robustes que l’on puisse trouver dans la nature, plus solide que l’acier et plus résistant que le Kevlar. Elle peut être étirée plusieurs fois dans sa longueur avant de se rompre. Pour ces raisons, reproduire la soie d’araignée en laboratoire est un peu une obsession chez les spécialistes des matériaux depuis des décennies.

A présent, des chercheurs de l’université de Cambridge ont créé un nouveau matériau qui imite la force, l’extensibilité et la capacité d’absorption d’énergie de la soie d’araignée. Ce matériau offre la possibilité d’améliorer des produits allant des casques de vélo aux parachutes en passant par les gilets pare-balles et les ailes d’avion. Peut-être sa propriété la plus impressionnante ? Il est composé à 98 % d’eau.

« Les araignées sont des modèles intéressants car elles sont capables de produire ces superbes fibres de soie à température ambiante en utilisant l’eau comme solvant », explique Darshil Shah, ingénieur au Centre for Natural Material Innovation de Cambridge. « Ce processus, les araignées l’ont fait évoluer sur des centaines de millions d’années, mais nous n’avons pas pu le copier jusqu’à présent. »

Les fibres fabriquées en laboratoire sont créées à partir d’un matériau appelé hydrogel, composé de 98 % d’eau et de 2 % de silice et de cellulose, ces deux dernières étant maintenues ensemble par des cucurbiturils, des molécules qui servent de « menottes ». Les fibres de silice et de cellulose peuvent être extraites de l’hydrogel. Après 30 secondes environ, l’eau s’évapore, ne laissant derrière elle que le fil solide et extensible.

Les fibres sont extrêmement solides – bien que pas tout à fait aussi solides que les soies d’araignée les plus solides – et, de manière significative, elles peuvent être fabriquées à température ambiante sans solvants chimiques. Cela signifie que si elles peuvent être produites à l’échelle, elles ont un avantage sur d’autres fibres synthétiques telles que le nylon, qui nécessitent des températures extrêmement élevées pour être filées, faisant de la production textile l’une des industries les plus sales du monde. La soie artificielle d’araignée est également totalement biodégradable. Et comme elle est fabriquée à partir de matériaux communs et facilement accessibles – principalement de l’eau, de la silice et de la cellulose – elle a le potentiel d’être abordable.

Parce que le matériau peut absorber autant d’énergie, il pourrait potentiellement être utilisé comme tissu de protection.

« Les araignées ont besoin de cette capacité d’absorption parce que lorsqu’un oiseau ou une mouche frappe leur toile, elle doit être capable d’absorber cela, sinon elle va se casser », explique Shah. « Donc, des choses comme des vêtements militaires résistants aux éclats d’obus ou d’autres vêtements de protection, ce serait une application passionnante. »

Les autres applications potentielles comprennent la toile à voile, le tissu des parachutes, le matériau des montgolfières et les casques de vélo ou de skateboard. Le matériau est biocompatible, ce qui signifie qu’il pourrait être utilisé à l’intérieur du corps humain pour des choses comme des points de suture.

Les fibres pourraient également être modifiées de plusieurs façons intéressantes, selon Shah. Remplacer la cellulose par divers polymères pourrait transformer la soie en un matériau entièrement différent. La méthode de base pourrait être reproduite pour produire des versions à faible température, sans solvant chimique nécessaire, de nombreux tissus.

« C’est une méthode générique pour rendre toutes les fibres, pour rendre toute forme de fibre verte », dit Shah.

Shah et son équipe sont loin d’être les seuls scientifiques à travailler sur la création de soie d’araignée artificielle. Contrairement aux vers à soie, qui peuvent être élevés pour leur soie, les araignées sont des cannibales qui ne toléreraient pas la promiscuité nécessaire à l’élevage, si bien que se tourner vers le laboratoire est le seul moyen d’obtenir des quantités importantes de ce matériau. Toutes les quelques années, les manchettes font état de nouvelles avancées dans le processus. Une équipe allemande a modifié la bactérie E-coli pour produire des molécules de soie d’araignée. Des scientifiques de l’université d’État de l’Utah ont élevé des « chèvres-araignées » génétiquement modifiées pour produire des protéines de soie dans leur lait. L’armée américaine teste actuellement la « soie de dragon » produite par des vers à soie modifiés pour l’utiliser dans des gilets pare-balles. Au début de l’année, des chercheurs de l’Institut Karolinska en Suède ont publié un article sur une nouvelle méthode permettant d’utiliser des bactéries pour produire des protéines de soie d’araignée d’une manière potentiellement durable et évolutive. Et ce printemps, la start-up californienne Bolt Threads a présenté au festival SXSW des cravates en soie d’araignée issue de la bio-ingénierie. Leur produit est fabriqué par un processus de fermentation de la levure qui produit des protéines de soie, lesquelles passent ensuite par un processus d’extrusion pour devenir des fibres. C’est suffisamment prometteur pour avoir généré un partenariat avec le fabricant d’articles de plein air Patagonia.

Mais, comme le souligne un article de Wired en 2015, « jusqu’à présent, tous les groupes qui ont tenté de produire suffisamment de cette matière pour la mettre sur le marché de masse, des chercheurs aux entreprises géantes, ont à peu près échoué. »

C’est le défi auquel Shah et son équipe sont confrontés en ce moment.

« Actuellement, nous fabriquons environ quelques dizaines de milligrammes de ces matériaux, puis nous en tirons des fibres », explique-t-il. « Mais nous voulons essayer de le faire à une échelle beaucoup plus grande. »

Pour ce faire, l’équipe travaille sur un dispositif robotique pour tirer et filer les fibres plus rapidement et à une plus grande échelle qu’auparavant. Ils ont eu un certain succès, dit Shah, et continuent d’explorer le processus.

« Nous en sommes encore aux premiers stades de la recherche », dit-il.

Les résultats de l’équipe ont récemment été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.

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