Le biomimétisme consiste à faire de la recherche en s’inspirant du vivant pour tirer parti des propriétés de certaines espèces ( animales, végétales, etc..). C'est un secteur en forte croissance et pour cause, il est l'avenir d'une nouvelle révolution industrielle. Se servir du vivant dans l'industrie pourrait réduire considérablement la consommation d'énergie et de ressources, et par conséquent réduire les émissions de gaz à effet de serre.
L'utilisation des principes et stratégies élaborés par les organismes vivants et les écosystèmes pourraient rendre les sociétés humaines compatibles avec la biosphère.
TPE : Biomimétisme
Problématique
Comment l'homme copie t-il la nature et quelles applications lui trouve t-il ?
vendredi 26 février 2016
1) premier exemple: la soie d'araignée
1) Premier exemple : La soie d'araignée
La soie d'araignée à l'état naturel est un exemple parfait pour illustrer les applications du biomimétisme dans l'industrie.Tout d'abord, elle possède des caractéristiques physiques intéressantes ( qui varient selon les espèces d'araignées ) de part sa composition chimique qui la rend à la fois souple, solide, et doté d'une élasticité importante.
a) Composition de la soie d'araignée
La fibre de la soie d'araignée est faite de protéines qui constituent des composants cristallins ( pour la solidité) et amorphes (pour l'élasticité ).
l'élément cristallin (en rouge sur le shéma) qui représente environ 60% de la fibre est une structure de 2 à 5 nanomètre de diamètre appelée feuillet β . On doit ce nom à cause des peptides, des molécules contenant, dans le cas de la soie d'araignée, 6 à 10 acides aminé tels que l'alanine ou la glycine relié par la liaison CO-NH, qui s'organisent en couche superposées liées entres elles par des liaisons hydrogènes.
L'élément amorphe(en bleu sur le shéma),qui représente environ 20% de la fibre , est également composé de peptides plus long et plus riches en glycine et cette fois disposé de façon aléatoire.
Le reste de la soie est composé de matières grasses et d'eau.
b) Conductivité électrique

La soie d'araignée à l'état naturel est un exemple parfait pour illustrer les applications du biomimétisme dans l'industrie.Tout d'abord, elle possède des caractéristiques physiques intéressantes ( qui varient selon les espèces d'araignées ) de part sa composition chimique qui la rend à la fois souple, solide, et doté d'une élasticité importante.
a) Composition de la soie d'araignée
La fibre de la soie d'araignée est faite de protéines qui constituent des composants cristallins ( pour la solidité) et amorphes (pour l'élasticité ).
l'élément cristallin (en rouge sur le shéma) qui représente environ 60% de la fibre est une structure de 2 à 5 nanomètre de diamètre appelée feuillet β . On doit ce nom à cause des peptides, des molécules contenant, dans le cas de la soie d'araignée, 6 à 10 acides aminé tels que l'alanine ou la glycine relié par la liaison CO-NH, qui s'organisent en couche superposées liées entres elles par des liaisons hydrogènes.
L'élément amorphe(en bleu sur le shéma),qui représente environ 20% de la fibre , est également composé de peptides plus long et plus riches en glycine et cette fois disposé de façon aléatoire.
Le reste de la soie est composé de matières grasses et d'eau.
b) Conductivité électrique
A l'état naturel, la soie d'araignée n'a pas une conductivité exceptionnelle mais une fois enrobée d'une fine couche de nanotubes de carbone, très résistant et très conducteurs, on obtient un fil très conducteur avec toute les autres caractéristiques de la soie d'araignée. Un matériau capable de remplacé tout les métaux dans les circuit imprimé de nos téléphones ou de nos ordinateurs et bien plus encore. Cela permettrait à terme de réduire voir de stopper les émissions de gaz à effets de serre produit lors de l'extraction de ces métaux conducteur tels que le cuivre, l'or et l'argent.
De récentes études laisse envisager la possibilité de réaliser des nerfs, des ligaments ou des tendons ce qui représenterais une avancée considérable dans le domaine médical.
De récentes études laisse envisager la possibilité de réaliser des nerfs, des ligaments ou des tendons ce qui représenterais une avancée considérable dans le domaine médical.
c) Résistances et autres propriétés
Vu précédemment, la composition de la soie d'araignée à la foie cristalline et amorphe lui confère une résistance et une élasticité importante.
Vu précédemment, la composition de la soie d'araignée à la foie cristalline et amorphe lui confère une résistance et une élasticité importante.
De plus lorsque la fibre est humidifiée, on observe un phénomène de "supercontraction", elle se rétracte et devient plus solide, dans la nature cela permet aux toiles de résister au poids des gouttes de rosée ou encore à la pluie.
On retrouve un large panel d'applications possibles dans l'industrie. La soie d'araignée pourrais remplacer les gilets pare-balle en kevlar. Ces nouveaux gilets seraient plus résistants et plus légers.
On pourrait en retrouver également mêlée à d'autres éléments tels que le carbone pour allégé encore plus les équipement sportifs et les carrosseries de voiture.
On pourrait en retrouver également mêlée à d'autres éléments tels que le carbone pour allégé encore plus les équipement sportifs et les carrosseries de voiture.
Soie d'araignée (Néphila Clavipes) | Kevlar | Acier | |
Allongement à rupture | 40 % ( plus selon les soies ) | 3 % | 2 à 10 % |
Contrainte à rupture | 1150 Mpa | 3620 Mpa | 1500 Mpa |
Masse volumique | 1,3g/cm³ | 1,44g/cm³ | 7,8g/cm³ |
Mémoire de forme | Oui | Oui | Non |
d) Fabrication
Naturelle: La soie d'araignée naturelle est fabriquée dans l'abdomen de l'animal par des glandes séricigènes. Il en existe plusieurs types qui produise des toiles plus ou moins adhésives, épaisses ou rigides selon la situation. ( elles seront plus ou moins riches en élément amorphe ou cristallin )

2) autre exemple : le Lotus
I)Le principe de super-hydrophobie
un matériau super-hydrophobe est un matériau dont il est extrêmement difficile de mouiller la surface (avec de l'eau ou a priori n'importe quel liquide). Cette propriété est une propriété physique (contrairement a l'hydrophobie, qui elle est chimique).
Cette propriété est décrite par la loi de Cassie qui indique que si l'angle de contact du liquide avec la surface est supérieur à 150°, le liquide ne peut pas s'accrocher (si 90°<θ<150°, on parle d'effet hydrophobe ). Les feuilles de lotus représentent un très bon exemple de surface super-hydrophobe où l'eau ruisselle sans jamais les mouiller. D'où le nom d'effet lotus.
Loi de Cassie : En physique, la loi de Cassie, ou loi de Cassie-Baxter, décrit l'angle de contact pour un liquide déposé sur une surface composite. Elle date de 1944 et permet d'expliquer pourquoi un substrat plus grossier augmente cet angle.
1)l'hydrophobie moléculaire
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Schéma d'une coupe de feuille de lotus |
Les lipides : Les lipides sont les matières grasses des êtres vivants. Ces molécules sont à la fois hydrophobes et hydrophiles puisqu'elles sont constituées d'une tête hydrophile et d'une queue hydrophobe ou plutôt une tête polaire et une queue apolaire.
Les différentes formes des lipides, comme la cire, permettent de rendre des surfaces hydrophobes, par exemple : on applique de la cire sur le bois pour l’empêcher d'absorber l'eau.
2) l'hydrophobie sous trois formes:l'hydrophobie, la super-hydrophobie et l'ultra-hydrophobie
Tout d'abord, ce phénomène ne s'applique qu' aux liquides Newtoniens, c'est-à-dire que le liquide continue de s’écouler indépendamment des forces extérieures qui agissent sur lui.
Une surface est dite hydrophobe lorsque l'angle de contact de la goutte d'un liquide et la surface sur laquelle elle repose, est supérieur à 90°.
Une surface est dite super-hydrophobe lorsque l'angle de contact est supérieur à 120°.
Et une surface est dite ultra-hydrophobe lorsque l'angle de contact est supérieur à 150°, dans ce cas, en plus de la surface, le liquide est également modifié. Et les applications possibles sont donc très réduites.
3) Comment marche la super-hydrophobie ?
2 états : état de Wenzel (goutte empalée), état de Cassie (goutte fakir).
Schémas des états de Wenzel et de Cassie
Dans l’état de Wenzel, le liquide épouse la surface du solide alors que dans l’état de Cassie le liquide repose sur le sommet des aspérités.
L'angle de contact formé par la goutte est modifié par la rugosité d'une surface. En général, une texture rend une surface hydrophile plus hydrophiles de même pour les surfaces hydrophobes. Les deux modèles (Wenzel et Cassie) rendent compte de l'augmentation de l'angle de contact.
II) Applications possibles.
1)Chez les particuliers
Depuis 1 an, sont commercialisées des peintures de façades autonettoyantes, la première d'entre elles était la peinture Lotusan. Plus de 50000 façades ont été repeintes avec ces peintures spéciales. En 2012, le marchand a mis sur le marché un nouveau produit: la peinture hydrophobe qui imite la structure microscopique des feuilles de lotus une fois appliquée sur une surface.
De la même façon, les feuilles de lotus restent à la surface sans être mouillées, la peinture Lotusan est donc hydrophobe et autonettoyante. L'eau perlera sur la surface peinte avec la peinture hydrophobe mais ne pourra pas y adhérer, les saletés ne peuvent donc pas s'y accrocher non plus.
Cette peinture rend les lavages de surfaces peintes très faciles, il suffit d'asperger le mur ou la surface d'eau ainsi les résidus sont lavés, comme dans la vidéo ci-dessous:
Des scientifiques ont pour objectif d'utiliser la salvinia molesta , une algue hydrophobe, dans le domaine maritime en collant une couche hydrophobe sous les bateaux qui améliore le glissement sur l'eau et donc réduit la consommation de carburant de 10 % . Cette découverte liée au biomimétisme s'inscrit dans le développement durable, et , si elle est effective, pourrait se généraliser a tous les revêtements de bateaux.
Conclusion
L'homme parvient à copier la nature grâce à ses capacités à synthétisé des matériaux organiques naturels afin de les utiliser à son avantage. Le biomimétisme offre aux hommes une nouvelle façon d'innover et assurer la continuité de son évolution.
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