Une équipe de chercheurs dirigée par l’Université de Californie à San Diego a développé des matériaux souples mais durables qui brillent en réponse à des contraintes mécaniques, telles que la compression, l’étirement ou la torsion. Les matériaux tirent leur luminescence d’algues unicellulaires appelées dinoflagellés.
L’œuvre, inspirée des ondes bioluminescentes observées lors des marées rouges sur les plages de San Diego, a été publié 20 octobre à Avancées scientifiques.
« Une caractéristique intéressante de ces matériaux est leur simplicité inhérente : ils ne nécessitent ni électronique ni source d’alimentation externe », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Shengqiang Cai, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego. « Nous démontrons comment nous pouvons exploiter le pouvoir de la nature pour convertir directement les stimuli mécaniques en émission de lumière. »
Cette étude était une collaboration multidisciplinaire impliquant des ingénieurs et des scientifiques des matériaux du laboratoire de Cai, le biologiste marin Michael Latz de la Scripps Institution of Oceanography de l’UC San Diego et le professeur de physique Maziyar Jalaal de l’Université d’Amsterdam.
Les principaux ingrédients des matériaux bioluminescents sont des dinoflagellés et un polymère à base d’algues appelé alginate. Ces éléments ont été mélangés pour former une solution, qui a ensuite été traitée avec une imprimante 3D pour créer un large éventail de formes, telles que des grilles, des spirales, des toiles d’araignées, des boules, des blocs et des structures pyramidales. Les structures imprimées en 3D ont ensuite été durcies comme étape finale.
Lorsque les matériaux sont soumis à une compression, un étirement ou une torsion, les dinoflagellés qu’ils contiennent réagissent en émettant de la lumière. Cette réponse imite ce qui se passe dans l’océan, lorsque les dinoflagellés produisent des éclairs de lumière dans le cadre d’une stratégie de défense contre les prédateurs. Lors des tests, les matériaux brillaient lorsque les chercheurs appuyaient dessus et traçaient des motifs sur leur surface. Les matériaux étaient même suffisamment sensibles pour briller sous le poids d’une boule de mousse roulant sur leur surface.
Plus la contrainte appliquée est élevée, plus la lueur est brillante. Les chercheurs ont pu quantifier ce comportement et développé un modèle mathématique capable de prédire l’intensité de la lueur en fonction de l’ampleur de la contrainte mécanique appliquée.
Ces matériaux mous et vivants brillent en réponse à des contraintes mécaniques, telles que la compression, l’étirement ou la torsion. Crédit : École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego
Les chercheurs ont également démontré des techniques permettant de rendre ces matériaux résilients dans diverses conditions expérimentales. Pour renforcer les matériaux afin qu’ils puissent supporter des charges mécaniques importantes, un deuxième polymère, le diacrylate de poly(éthylène glycol), a été ajouté au mélange original. De plus, le revêtement des matériaux avec un polymère élastique semblable à du caoutchouc appelé Ecoflex offre une protection dans les solutions acides et basiques. Grâce à cette couche protectrice, les matériaux pourraient même être stockés dans l’eau de mer jusqu’à cinq mois sans perdre leur forme ni leurs propriétés bioluminescentes.
Une autre caractéristique avantageuse de ces matériaux est leur faible entretien. Pour continuer à fonctionner, les dinoflagellés présents dans les matériaux ont besoin de cycles périodiques de lumière et d’obscurité. Pendant la phase lumineuse, ils photosynthétisent pour produire de la nourriture et de l’énergie, qui sont ensuite utilisées dans la phase sombre pour émettre de la lumière lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée. Ce comportement reflète les processus naturels en jeu lorsque les dinoflagellés provoquent une bioluminescence dans l’océan lors des marées rouges.
« Ce travail actuel démontre une méthode simple pour combiner des organismes vivants avec des composants non vivants pour fabriquer de nouveaux matériaux autonomes et sensibles aux stimuli mécaniques fondamentaux trouvés dans la nature », a déclaré le premier auteur de l’étude, Chenghai Li, spécialiste en génie mécanique et aérospatial. doctorat candidat dans le laboratoire de Cai.
Les chercheurs envisagent que ces matériaux pourraient potentiellement être utilisés comme capteurs mécaniques pour mesurer la pression, la déformation ou le stress. D’autres applications potentielles incluent la robotique douce et les dispositifs biomédicaux qui utilisent des signaux lumineux pour effectuer un traitement ou une libération contrôlée de médicaments.
Il reste cependant beaucoup de travail à accomplir avant que ces applications puissent être réalisées. Les chercheurs travaillent à améliorer et à optimiser davantage les matériaux.
Plus d’information:
Chenghai Li et al, Composites vivants mécanoluminescents ultrasensibles et robustes, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adi8643. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8643