L'étude des mollusques a créé un gel adhésif sous-marin si résistant qu'il peut supporter le poids d'un adulte dans un timbre-poste.
Un hydrogel né de protéines naturelles et de l'apprentissage automatique dépasse le mégapascal et ouvre des scénarios pour la médecine, la mer et la robotique
Un tuyau rempli d'eau, un trou de deux centimètres de large, la pression qui repousse la fuite et un matériau souple qui la ferme presque immédiatement. La scène semble sortir d'un laboratoire conçu pour convaincre même les plus sceptiques, ceux qui lèvent les sourcils devant chaque nouveau « matériau révolutionnaire » et attendent la véritable preuve. Cette fois, la preuve est là : un gel adhésif sous-marin développé par des chercheurs de l'université d'Hokkaido a atteint une force d'adhésion supérieure à 1 mégapascal, une valeur environ dix fois supérieure à celle de nombreux hydrogels sous-marins décrits jusqu'à présent dans la littérature.
Le résultat est issu d’un travail très concret, même si derrière il se cachent des mots lourds comme data mining, protéines adhésives et machine learning. Le groupe a analysé des milliers de protéines présentes dans la nature, recherchant dans leurs séquences ces petits motifs qui permettent à certains organismes de rester attachés aux surfaces même dans des environnements humides, salins et instables. A partir de ce catalogue biologique, des hydrogels synthétiques ont été conçus, puis testés sous l’eau, corrigés, repensés et optimisés avec des modèles prédictifs.
Des protéines naturelles à 180 hydrogels testés sous l'eau
Les chercheurs ont commencé avec environ 24 700 protéines adhésives naturelles provenant de bactéries, d’eucaryotes, d’archées et de virus. Des organismes très éloignés les uns des autres, aux histoires évolutives différentes, unis par une capacité précieuse : adhérer dans des milieux où l'eau a tendance à s'infiltrer partout et à fragiliser presque tous les liens. Au sein de ces séquences, des motifs récurrents ont émergé, des combinaisons d’acides aminés capables de suggérer comment construire des réseaux polymères plus adaptés à l’adhésion dans des conditions difficiles.
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De là, le travail tombait sur la paillasse du laboratoire. 180 hydrogels avec différentes structures polymères ont été synthétisés et chacun a été mesuré pour voir dans quelle mesure il adhère sous l’eau. Les données collectées ont été utilisées pour entraîner des modèles d’apprentissage automatique, qui ont indiqué de nouvelles combinaisons à essayer. Après trois cycles de prédiction et de vérification expérimentale, le meilleur matériau a dépassé le seuil de 1 MPa, un niveau qui marque un bond important pour les adhésifs souples conçus pour les environnements humides ou immergés.
Un hydrogel, dit sans que cela ressemble à quelque chose d'un manuel universitaire laissé ouvert à moitié, est un matériau mou composé d'eau et de réseaux polymères. On le retrouve déjà dans de nombreux domaines, des lentilles de contact à la recherche biomédicale. La partie délicate vient quand on lui demande de se comporter comme de la colle sous l’eau. L'eau s'infiltre entre le matériau et la surface, perturbe le contact, affaiblit l'adhérence. Ici, le nouveau gel parvient à repousser cette barrière et à se fixer avec une force surprenante.
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Du timbre qu'un adulte peut soutenir au canard laissé sur le rocher
Pour donner une idée, l'université d'Hokkaido utilise une image simple : un morceau de ce gel de la taille d'un timbre-poste, soit environ 2,5 centimètres de côté, pourrait théoriquement supporter le poids d'un adulte d'environ 63 kilos. Il s’agit d’une comparaison à prendre pour ce qu’elle est, liée à des conditions de test spécifiques, mais elle permet de comprendre l’ampleur du résultat.
La démonstration la plus curieuse concerne un canard en caoutchouc. Le gel l'a maintenue collée à un rocher, exposée aux vagues et aux marées, pendant plus d'un an. Cela semble être un détail presque comique, et en fait cela fonctionne précisément pour cette raison : le canard jaune, objet de bain et de jeu, devient un petit test visuel de résistance. La matière reste là, tandis que la mer continue son œuvre.
Ensuite, il y a les tests moins photogéniques et plus utiles. Le gel a rapidement colmaté un trou de 2 centimètres dans un tuyau rempli d’eau sous pression. Dans d'autres tests, il a montré une adhérence sur différentes surfaces, du verre au titane, de la céramique au plastique, et a maintenu ses performances même dans des conditions de salinité variable, de l'eau simple aux environnements similaires à l'eau de mer.
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L'avantage de la méthode réside aussi là : la machine a permis d'affiner une recherche qui, procédant uniquement par essais et erreurs, serait devenue longue et dispersive. Il existe de nombreuses combinaisons possibles entre les composants chimiques, la structure du gel et le comportement sous-marin. L’apprentissage automatique indiquait les formulations les plus prometteuses, puis le laboratoire faisait le reste. La partie numérique suggérait, la preuve physique décidait.
Les applications possibles sont larges. En médecine, un adhésif capable d’agir sur des tissus humides pourrait devenir utile en chirurgie, dans les pansements avancés ou dans la réparation de tissus difficiles à traiter avec les systèmes traditionnels. En mer, un tel matériau pourrait aider à maintenir des infrastructures immergées, des capteurs, des outils d’exploration profonde et des dispositifs robotiques souples.
La recherche met également en évidence un autre aspect pratique : les composants utilisés sont disponibles dans le commerce. Cela rend le travail plus intéressant, car cela rapproche le matériau d’une éventuelle production future. D'autres tests seront nécessaires : durabilité, sécurité, surfaces sales, utilisation clinique et industrielle. Pour l'instant le gel tient. Même sous l'eau.
Source : Nature – Université d’Hokkaido
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