Les chercheurs utilisent la matière biologique pour créer de nouveaux matériaux uniques capables de s’adapter à leur environnement et de se réparer.
L’écrivain de science-fiction Arthur C. Clarke a déclaré avec justesse que « toute technologie suffisamment avancée est indiscernable de la magie ».
Pour le Dr Kunal Masania, professeur associé de structures et matériaux aérospatiaux à l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, Clarke a fait une énorme impression.
« J’ai toujours été très inspiré par ce sujet », explique Masania. « À travers mes recherches, j’essaie d’apporter une sorte de magie dans la vie des gens. »
Matériaux vivants
Masania développe ce qu’il appelle des « matériaux vivants », destinés aux secteurs de l’aérospatiale et des transports. Ces matériaux vivants sont, comme leur nom l’indique, littéralement vivants. Ils contiennent des micro-organismes tels que des champignons et des bactéries, qui leur confèrent la capacité de maintenir leur intégrité et leur auto-guérison.
Son travail peut sembler magique, mais il est bien réel et progresse bien.
Il fait partie d’un projet de cinq ans appelé AM-IMATE, pour lequel Masania a reçu une subvention de l’Union européenne en janvier 2023. L’équipe de recherche étudie le potentiel des organismes biologiques à être intégrés dans de nouveaux matériaux innovants destinés à être utilisés dans l’industrie et l’ingénierie.
« L’objectif est de créer des structures techniques capables de se comporter comme des organismes vivants, capables de détecter et de s’adapter aux contraintes mécaniques », a déclaré Masania.
Champignons imprimés en 3D
Le matériau développé par Masania est un composite qui associe des cellules fongiques vivantes et du bois. Il est constitué d’un hydrogel et de mycélium, une structure semblable à la racine d’un champignon qui vit normalement sous terre.
« Nous avons choisi de travailler avec des champignons parce que c’est un organisme très robuste, tolérant aux conditions difficiles et relativement facile à cultiver », a déclaré Masania.
De plus, les cellules fongiques ont une grande capacité de connexion. Le mycélium peut développer un vaste réseau de capteurs qui lui permet d’envoyer des signaux dans tout l’organisme. Cela signifie que les scientifiques peuvent répartir seulement quelques cellules dans le matériau, et ces cellules se reconnecteront et formeront un réseau de capteurs.
Pour produire ces matériaux vivants, Masania a développé une méthode d’impression 3D spéciale et une nouvelle encre d’impression 3D.
« Nous faisons de bons progrès dans ce domaine et nous sommes déjà en mesure d’imprimer notre matériau en 3D », a-t-il déclaré.
Espace durable
Les matériaux biologiques pourraient contribuer à améliorer les performances et la durabilité des structures critiques utilisées dans des domaines tels que l’aérospatiale et les transports. Masania et son équipe envisagent par exemple d’utiliser leurs composites comme matériau de base pour l’intérieur des avions.
« Nos matériaux sont très légers et plus durables que les matériaux actuellement utilisés », a déclaré Masania. « À l’heure actuelle, l’intérieur des avions est principalement composé de plastique et de métal. Si nous les remplaçons, nous n’aurons plus besoin de recourir aux combustibles fossiles et nous pourrons proposer de meilleures solutions de fin de vie. Si nous utilisons des matériaux vivants, les composants des avions pourraient être démantelés et rendus à la nature. »
Les recherches de Masania pourraient même viser à faire de ce qui semble être de la science-fiction une réalité.
« Cela pourrait être très intéressant pour construire dans l’espace et sur d’autres planètes », a-t-il déclaré. « Nos matériaux vivants pourraient former la base de nouveaux habitats car on pourrait utiliser les matériaux locaux et les lier ensemble à l’aide des champignons. »
Revêtement de bâtiment biosourcé
Plus près de chez nous, les matériaux biosourcés sont également utilisés pour développer un nouvel allié pour la construction durable. Anna Sandak est experte en science des matériaux, plus particulièrement en bois. Elle est professeure associée à l’Université de Primorska, à Koper, en Slovénie, et directrice adjointe et responsable du département des matériaux au Centre d’excellence slovène InnoRenew.
InnoRenew a été créé en 2017 avec l’aide de fonds européens, internationaux et nationaux pour s’appuyer sur les atouts de la Slovénie dans le domaine de la recherche sur la foresterie et le bois. L’objectif était d’étudier des matériaux renouvelables innovants pour la construction durable.
En 2022, Sandak et son équipe de recherche InnoRenew ont reçu une subvention de l’UE de cinq ans pour développer davantage le concept d’un système de revêtement vivant bioactif destiné au secteur de la construction. Grâce à ce financement, ils développent un biofilm « vivant » capable de protéger diverses surfaces construites, notamment le béton, le plastique et le métal.
L’idée est que cette peau vivante pourrait être appliquée pour protéger les matériaux de construction et rendre les bâtiments plus résilients et durables.
« Au lieu d’utiliser des produits chimiques synthétiques, des biocides et des huiles minérales qui ne sont pas toujours respectueux de l’environnement, nous nous concentrons sur le développement de solutions naturelles », a déclaré Sandak.
En utilisant des organismes vivants, les scientifiques créent de nouvelles fonctionnalités introuvables dans les matériaux conventionnels.
« Nous ajoutons aux matériaux une nouvelle dimension qui n’existait pas auparavant : la vie », a déclaré Sandak. « Dans la nature, les cellules ont de nombreuses propriétés fantastiques qui sont très difficiles et coûteuses à obtenir dans les matériaux synthétiques. Les matériaux vivants sont plus respectueux de l’environnement, ils peuvent s’auto-réparer, ont le potentiel de purifier l’air et sont moins coûteux. »
Champignons amusants
Comme le projet AM-IMATE, l’équipe de Sandak travaille principalement avec des champignons.
« Ils ont un potentiel énorme », a-t-elle déclaré. « Ils poussent de manière fantastique, ont un taux de survie élevé et n’ont pas besoin de beaucoup de nutriments. Les champignons sont amusants. »
Les champignons sont déjà présents sur les chantiers de construction, mais ils ne sont généralement pas souhaitables car ils peuvent endommager les matériaux. L’équipe de Sandak travaille cependant avec un champignon spécifique qui n’est pas nocif et ne dégrade pas les matériaux.
« Nous utilisons les « bons » pour empêcher les « méchants » de se propager. »
Pour que leurs recherches soient appliquées, les scientifiques créent un revêtement biologique non seulement efficace, mais aussi visuellement attrayant. Ils le testent sur une variété de matériaux et travaillent à l’ajout de différentes couleurs.
« Parce que l’esthétique est importante en architecture », a déclaré Sandak.
Le produit résultant est considéré comme un revêtement à base d’eau qui peut être pulvérisé, appliqué au pinceau ou au rouleau sur une large gamme de surfaces.
ARCHI-SKIN est en cours jusqu’en 2027 et, selon Sandak, les recherches progressent assez rapidement et il ne faudra pas longtemps avant que leur revêtement puisse être appliqué sur les premiers bâtiments.
« Je crois qu’il sera possible d’utiliser notre solution dans la prochaine décennie », a-t-elle déclaré.
Impact sociétal
Dans le cas des deux projets, les scientifiques acquièrent de précieuses connaissances fondamentales sur les micro-organismes, mais comme le disent les deux coordinateurs de projet, le principal résultat de la recherche devrait être des applications concrètes.
« Nous voulons faire de notre monde un endroit meilleur », a déclaré Sandak.
« Je pense que nous allons certainement commencer à voir de plus en plus d’applications pour les matériaux biosourcés, notamment dans les bâtiments et l’environnement bâti, ainsi que dans les produits de consommation », a déclaré Masania. « À mesure que notre compréhension de ces matériaux se développera, de plus en plus d’applications suivront. »