L'élasticité
Les chercheurs à l'Université de la Sorbonne ont approfondi le sujet de l'élasticité et de la mémoire de forme du fil de soie d'araignée. Nous leur avons rendu visite et appris beaucoup à propos de cette caractéristique méconnue de la solidité de la soie.
Ce fil est fait d'un mélange solide-liquide très peu connu.
Sa particularité est que cette soie est étirable grâce à des nano-ressorts présents dans la molécule, mais lorsqu'elle est comprimée un comportement très étrange est observé. Le fil se rétracte sans limite, tout en conservant un minimum de tension.
Expérience sur l'enroulement élastocapillaire du fil d'araignée
P.Grandgeorge nous invite à utiliser son laboratoire de à l'Université Pierre et Marie Curie pour effectuer cette expérience.
Etape 1
L'objectif de cette expérience est de tester la rétractabilité du fil d'araignée.
Il s'agit de vérifier si le phénomène d'enroulement élasto-capillaire s'applique à cette matière.
Nous allons tester l'influence des gouttelettes collées à la soie sur sa rétractabilité.
Etape 2
Il s'agit de comparer l'affaissement d'un fil de soie:
- avec des gouttelettes d'eau
- sans
On s'attend à ce que le fil ne s'affaisse qu'en absence des gouttes, vérifiant ainsi le caractère d'enroulement élasto-cappilaire, expliquant un des facteurs à la fois d'élasticité et de mémoire de forme de la toile entière.
Etape 3
Matériel utilisé :
- Polyurethane E 1185 A, aux proportions et propriétés proches de celles du fil d'araignée. (› voire vidéo)
- Etau de précision
- Microscope électronique
- Pulvérisateur
- Eau
On place un fil entre les deux pôles de l'étau.
Pour l'un, on ajoute des gouttelettes d'eau en aspergeant avec un pulvérisateur.
Sous microscope électronique, observation de l'affaissement (ou non) du fil lors d'un rapprochement puis d'un éloignement des deux pôles.
Ce fil est fait d'un mélange solide-liquide très peu connu.
Sa particularité est que cette soie est étirable grâce à des nano-ressorts présents dans la molécule, mais lorsqu'elle est comprimée un comportement très étrange est observé. Le fil se rétracte sans limite, tout en conservant un minimum de tension.
Expérience sur l'enroulement élastocapillaire du fil d'araignée
P.Grandgeorge nous invite à utiliser son laboratoire de à l'Université Pierre et Marie Curie pour effectuer cette expérience.
Etape 1
L'objectif de cette expérience est de tester la rétractabilité du fil d'araignée.
Il s'agit de vérifier si le phénomène d'enroulement élasto-capillaire s'applique à cette matière.
Nous allons tester l'influence des gouttelettes collées à la soie sur sa rétractabilité.
Etape 2
Il s'agit de comparer l'affaissement d'un fil de soie:
- avec des gouttelettes d'eau
- sans
On s'attend à ce que le fil ne s'affaisse qu'en absence des gouttes, vérifiant ainsi le caractère d'enroulement élasto-cappilaire, expliquant un des facteurs à la fois d'élasticité et de mémoire de forme de la toile entière.
Etape 3
Matériel utilisé :
- Polyurethane E 1185 A, aux proportions et propriétés proches de celles du fil d'araignée. (› voire vidéo)
- Etau de précision
- Microscope électronique
- Pulvérisateur
- Eau
On place un fil entre les deux pôles de l'étau.
Pour l'un, on ajoute des gouttelettes d'eau en aspergeant avec un pulvérisateur.
Sous microscope électronique, observation de l'affaissement (ou non) du fil lors d'un rapprochement puis d'un éloignement des deux pôles.
Etape 4
On observe que le fil s'affaisse sans présence gouttelettes.
Avec gouttelettes, on observe l'enroulement :
On observe que le fil s'affaisse sans présence gouttelettes.
Avec gouttelettes, on observe l'enroulement :
L'enroulement élasto-capillaire s'applique pour la soie d'araignée et pourrait expliquer que sa toile a une structure durable malgré son rôle de piège qui la contraint à se déformer souvent.
On a donc constaté que sur le fil de soie étaient collées des milliers de gouttelettes, et il semblerait que le fil s'embobine autour de ces gouttelettes lors de la rétraction. Sachant que l'araignée produit plusieurs soies, les recherches ont travaillé sur la soie produite par le Cribellum, glande productrice d'une soie de capture aux propriétés coulantes.
Ce fil est étirable à 300 %, c'est-à-dire 10 fois plus élastique que le caoutchouc synthétique. Mais ce qui est unique est le fait qu'il est rétractable apparemment sans limite sans tout autant s'affaisser de quelque manière. Ces propriétés servent à la fois à absorber le choc d'un insecte se prenant au piège et en même temps à conserver la structure de la toile, sachant qu'un affaissement causerait une déstructuration complète de l'architecture complexe du piège (Grandgeorge).
La thèse des chercheurs de l'université Pierre et Marie Curie à Paris a en effet montré qu'une part de l'élasticité et de la mémoire de forme de la toile est du à des phénomènes mécaniques liés aux gouttelettes présentes sur la toile.
Mais le fil de soie lui-même a aussi un caractère élastique à l'échelle moléculaire. Notons que le flagelliform (la spirale intérieure de capture de la toile) s'étire à plus de 200% de sa longueur initiale. Pour ordre de grandeur c'est autant que le caoutchouc et le nylon, et bien plus que le Kevlar qui lui s'étire à 5% de sa longueur initiale.
Cette flexibilité est due à la nature composite de cette soie. Tout d'abord notons que la soie est une protéine. Nous nous intéressons ici à la fibroïne, qui représente 63% du fil. C'est une protéine fibreuse constituée de trois acides aminés : l'alanine (A), la glycine (G) et la sérine (S). (Wikipedia)
Ce fil est étirable à 300 %, c'est-à-dire 10 fois plus élastique que le caoutchouc synthétique. Mais ce qui est unique est le fait qu'il est rétractable apparemment sans limite sans tout autant s'affaisser de quelque manière. Ces propriétés servent à la fois à absorber le choc d'un insecte se prenant au piège et en même temps à conserver la structure de la toile, sachant qu'un affaissement causerait une déstructuration complète de l'architecture complexe du piège (Grandgeorge).
La thèse des chercheurs de l'université Pierre et Marie Curie à Paris a en effet montré qu'une part de l'élasticité et de la mémoire de forme de la toile est du à des phénomènes mécaniques liés aux gouttelettes présentes sur la toile.
Mais le fil de soie lui-même a aussi un caractère élastique à l'échelle moléculaire. Notons que le flagelliform (la spirale intérieure de capture de la toile) s'étire à plus de 200% de sa longueur initiale. Pour ordre de grandeur c'est autant que le caoutchouc et le nylon, et bien plus que le Kevlar qui lui s'étire à 5% de sa longueur initiale.
Cette flexibilité est due à la nature composite de cette soie. Tout d'abord notons que la soie est une protéine. Nous nous intéressons ici à la fibroïne, qui représente 63% du fil. C'est une protéine fibreuse constituée de trois acides aminés : l'alanine (A), la glycine (G) et la sérine (S). (Wikipedia)
C'est bien la fibroïne qui donne à la soie ses propriétes mécaniques. Ce polymère (=molécule composée de monomères liés par des liaisons covalentes) est à son tour composée de feuillets appelés feuillets β d'une part et d'hélices α de l'autre, ainsi que d'une structure amorphe (=sans forme) inconnue à ce jour.
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1-L'hélice alpha est une structure biochimique hélicoïdale d'un enroulement régulier et périodique d'un pas de rotation droit : c'est à dire que si l'on imagine que l'on tient l'hélice alpha dans une main, elle tournera dans le sens vers où pointent les doigts. Aussi appelée "hélice Paulin-Corey-Branson" des scientifiques qui firent de la recherche à son propos (1951), elle porte un autre nom "d'hélice 3,6" car elle est composée d'acides aminés, précisément 3,6 résidus à chaque tour.
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-Les "random coil segments" (= segments d'enroulement aléatoire) sont très peu connus à ce jour. En tout cas, c'est un volume "cinétiquement libre", ce qui signifie qu'il n'a absolument aucune forme, donc amorphe. Il peut donc changer sa forme facilement sous une force extérieure, contruibuant ainsi à l'élasticité du fil.
Par e-mail, Hervé Elettro, chercheur post-doctorat au Chili, nous résume : "les feuillets béta sont des structures crystallines, c'est à dire qu’elles sont très rigides mais cassantes (elles se déforment peu). Les hélices alpha, à l’inverse, peuvent se déplier facilement et donner de l’élasticité (déformabilité) mais sont assez molles.
L’alliance des deux permet d’avoir un matériau rigide et déformable à la fois, ce qui lui confère sa grande résistance mécanique."
Par e-mail, Hervé Elettro, chercheur post-doctorat au Chili, nous résume : "les feuillets béta sont des structures crystallines, c'est à dire qu’elles sont très rigides mais cassantes (elles se déforment peu). Les hélices alpha, à l’inverse, peuvent se déplier facilement et donner de l’élasticité (déformabilité) mais sont assez molles.
L’alliance des deux permet d’avoir un matériau rigide et déformable à la fois, ce qui lui confère sa grande résistance mécanique."
Mémoire de Forme
Il est commun d'apercevoir une araignée suspendue au bout de son fil. Cependant, bien que cela ne figure pas dans votre liste de passe-temps favoris, tentez de vous suspendre au bout d'une corde quelconque. Vous constaterez que vous ne pourrez pas empêcher une rotation. Sachant que l'araignée n'est pas capable de se rééquilibrer seule, cette stabilité provient donc de l'extraordinaire mémoire de forme du fil de soie. Le Centre National de Recherches Scientifiques (CNRS) explore la chose en comparant les réaction d'une masse égale à celle d'une araignée suspendue à différents types de fils. "Les résultats sont édifiants : Un filament de Kevlar™ (donc synthétique) se comporte de manière élastique, avec des oscillations atténuées. Un fil de cuivre présente de faibles oscillations mais revient difficilement à sa forme initiale, et au prix d'un accroissement de sa fragilité. Le fil de l'araignée, lui, possède un haut coefficient d'absorption des oscillations, indépendant de la résistance de l'air, et garde ses propriétés de torsion au fur et à mesure des répétitions. Encore plus surprenant : il revient complètement à sa position originelle. Certains alliages, tels le Nitinol, possèdent des propriétés similaires, mais il faut que ce dernier soit chauffé à 90°C pour retrouver sa forme."(Communiqué de presse du CNRS du 30 mars 2006).
Ce type de matériau est dit "à auto-mémoire de forme". Cela signifie qu'il n'a besoin d'aucun stimulus extérieur (tel chaleur, eau) pour revenir à sa forme initiale.
Ce type de matériau est dit "à auto-mémoire de forme". Cela signifie qu'il n'a besoin d'aucun stimulus extérieur (tel chaleur, eau) pour revenir à sa forme initiale.
La stabilité sur le fil de traîne n'est d'ailleurs par la seule utilité de cette mémoire de forme dans la toile. La toile, ne l'oublions pas, est un piège. Lorsqu'une proie d'une masse n fois supérieure à celle de la toile fait une collision dans celle-ci, il s'agit de retrouver sa structure initiale, sans pour autant être trop résistante en faisant "un effet trampoline" comme le rappelle P. Grandgeorge.
L'un des meilleurs exemples pour la mémoire de forme est le NiTi, l'alliage Nickel et Titanium (communément appelé Nitinol). En 1961, William J. Buehler, chercheur du Naval Ordnance Laboratory, présente sa découverte au colloque annuel. Il laisse tordre et déformer aux membres du conseil un échantillon de son alliage qu'il avait initialement chauffé dans une forme d'accordéon. Buehler récupert le morceau maintenant difforme et le fait chauffer au dessus de son allume-pipe. À la surprise de tout le monde, le NiTi retrouve sa forme d'accordéon. ("Magnificent Molecules", N.Withers 2014) Voici donc un autre exemple de mémoire de forme, cependant à mémoire stimulée par un facteur extérieur, la chaleur en l'occurrence.
En orthodontie, on utilisera l'alliage CuNiTi (Cuivre-Nickel-Titanium), pour que l'arc entraîne chaque dent dans son retour à sa position initiale.
Le fil de soie d'araignée possède donc des caractéristiques uniques en termes d'élasticité et de mémoire de forme, qui vont donc nous intéresser pour s'en inspirer dans la fabrication de fil de suture.
L'un des meilleurs exemples pour la mémoire de forme est le NiTi, l'alliage Nickel et Titanium (communément appelé Nitinol). En 1961, William J. Buehler, chercheur du Naval Ordnance Laboratory, présente sa découverte au colloque annuel. Il laisse tordre et déformer aux membres du conseil un échantillon de son alliage qu'il avait initialement chauffé dans une forme d'accordéon. Buehler récupert le morceau maintenant difforme et le fait chauffer au dessus de son allume-pipe. À la surprise de tout le monde, le NiTi retrouve sa forme d'accordéon. ("Magnificent Molecules", N.Withers 2014) Voici donc un autre exemple de mémoire de forme, cependant à mémoire stimulée par un facteur extérieur, la chaleur en l'occurrence.
En orthodontie, on utilisera l'alliage CuNiTi (Cuivre-Nickel-Titanium), pour que l'arc entraîne chaque dent dans son retour à sa position initiale.
Le fil de soie d'araignée possède donc des caractéristiques uniques en termes d'élasticité et de mémoire de forme, qui vont donc nous intéresser pour s'en inspirer dans la fabrication de fil de suture.
This page was last edited 01-16-2017