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Un assemblage biomimétique d'éléments nanostructurés

La nature est une source d'inspiration pour de nouveaux procédés d'assemblage et de minéralisation permettant d'obtenir des dispositifs multifonctionnels intelligents. Un projet financé par l'UE a exploité ces nouveaux procédés pour fabriquer de façon souple des échangeurs de chaleur et d'humidité, des matrices dentaires et des tissus photovoltaïques.
Un assemblage biomimétique d'éléments nanostructurés
Le processus de minéralisation inspiré par la biologie est basé sur la nucléation hétérogène de phases minérales d'échelle nanométrique (comme du phosphate ou du carbonate de calcium) sur des modèles organiques en 3D. L'auto-assemblage complexe se fait grâce à des informations échangées au niveau moléculaire. De nombreux organismes utilisent ce processus pour fabriquer des structures ayant un rôle de soutien ou de protection (comme l'exosquelette des insectes et des mollusques, et l'endosquelette des vertébrés)

L'application de nouvelles procédures de chimie verte permet d'activer en laboratoire les mécanismes de contrôle de ce phénomène complexe, pour fabriquer de façon souple et contrôlée de nouveaux matériaux mixtes. Le contrôle permet de contraindre la taille finale des nanoparticules dans une plage donnée. Les applications possibles sont le chauffage et l'hydratation contrôlés de gaz médicaux, des matrices pour la régénération des tissus dentaires et l'intégration de tissus photovoltaïques dans de nouvelles cellules solaires à colorant.

Ces nouveaux procédés inspirés par la biologie, destinés au développement de dispositifs intelligents multifonctionnels ayant des applications variées dans les secteurs de l'environnement, de l'énergie et de la sécurité, ont été étudiés dans le cadre du projet SMILEY (Smart nano-structured devices hierarchically assembled by bio-mineralization processes), financé par l'UE.

L'un des avantages de ces processus est d'utiliser des matières premières abondantes et qui respectent l'environnement, comme des polymères et des fibres naturels. Ces matériaux sont mélangés en induisant une liaison chimique ou physique entre différents biopolymères ou fibres naturelles, pour générer des matrices de biopolymères composites. Celles-ci servent à fabriquer des éléments de base nanométriques, qui sont ensuite soumis à un assemblage et une minéralisation biomimétiques. Dans ce contexte, des matériaux et procédés potentiels ont été examinés et testés, les meilleurs candidats ayant été sélectionnés pour des développements complémentaires.

Les chercheurs ont construit des dispositifs prototypes pour l'échange de chaleur et d'humidité avec des propriétés de filtration de l'air. Ces échangeurs peuvent être utilisés pour humidifier et chauffer les gaz issus de systèmes d'assistance respiratoire. Les filtres à air sont intéressants pour les méthodes de production mais aussi en cas de catastrophe naturelle, de démolition ou de guerre.

L'équipe a également mis au point des matrices simulant divers tissus importants pour la réparation dentaire, comme le parodonte (os alvéolaire, ligament parodontal et cément) et la dentine. La régénération dentaire reste un besoin clinique non satisfait, aussi les résultats du projet pourraient améliorer grandement la qualité de vie des Européens. D'ailleurs, avec le vieillissement de la population, la perte des dents, les problèmes buccaux et les effets secondaires au niveau systémique devraient augmenter. La technique à laquelle travaille le projet SMILEY devrait contribuer à conserver jusqu'à un âge avancé la mobilité et la capacité de mastication.

L'équipe a également étudié diverses fibres naturelles ainsi que des modifications de surface, en vue d'activer des groupes fonctionnels permettant la nucléation hétérogène de nano-phases minérales. Sur ces bases, elle a pu mettre au point de nouveaux matériaux photovoltaïques, et fabriqué des prototypes de photoanodes fibreuses. La mise au point de structures photovoltaïques souples sera particulièrement utile pour intégrer la génération d'électricité dans des habits, des rideaux, des immeubles ou des serres.

SMILEY a développé des nanomatériaux inspirés par la nature, qui seront utilisés dans des matériels qui aident les individus et protègent leur environnement.

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Mots-clés

Minéralisation bio-inspirée, matrices dentaires, tissus photovoltaïques, dispositifs nanostructurés, filtres à air