La science derrière la résistance des fils d’araignée
Les toiles d’araignée varient en résistance et en flexibilité selon leur utilisation. Par exemple, la soie de traction est la plus robuste et est utilisée par l’araignée pour se déplacer ou fuir un danger. En revanche, la soie de capture est plus flexible et est utilisée dans les parties collantes de la toile, qui aident à attraper les proies sans que les fibres ne se cassent ou que la toile ne se déchire.
Il existe également de la soie d’œuf, qui est particulièrement solide pour protéger les œufs, et de la soie d’emballage, qui est plus douce et utilisée pour immobiliser les proies. Certaines araignées produisent aussi de la soie spécialisée pour les ponts, un mélange de force et de flexibilité qui permet de construire des ponts entre différentes surfaces avant de créer la toile complète.
La maîtrise de la flexibilité et de la rigidité
Mais comment les araignées contrôlent-elles la flexibilité et la rigidité de leurs toiles ? Des chercheurs de l’Université Northwestern aux États-Unis ont découvert la raison scientifique derrière ces variations de résistance et de flexibilité des fils d’araignée.
Lorsque les araignées tissent leurs toiles, il ne s’agit pas seulement de sécréter des fils et de les façonner en toile. Un processus complexe de tension – effectué avec leurs pattes arrière – joue un rôle clé dans le renforcement des fibres de soie, les rendant plus solides et durables, selon une étude récente publiée dans la revue « Science Advances ».
Jacob Graham, doctorant au département de génie mécanique de l’Université Northwestern et chercheur principal de l’étude, déclare : « En modélisant la soie au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que la tension préalable des protéines individuelles améliore leur alignement le long de l’axe des fibres, ce qui augmente le nombre de liaisons hydrogène entre les protéines adjacentes. »
Il ajoute : « Bien que cela augmente la résistance finale nécessaire pour casser les fibres, les protéines individuelles perdent une partie de leur flexibilité, réduisant ainsi la capacité des fibres à s’étirer avant de se rompre. Par conséquent, le degré de tension lors du traitement des fibres détermine l’équilibre entre la force et la flexibilité des soies d’araignée. »
La force potentielle de la tension
On peut imaginer les fils d’araignée comme un ensemble de chaînes fines entrelacées, semblables aux cordes que nous utilisons au quotidien. Lorsque ces fils sont tendus, ils deviennent plus ordonnés et se renforcent, augmentant ainsi leur résistance.
Au niveau moléculaire, les fibres d’araignée contiennent de petites chaînes protéiques reliées entre elles par des liaisons appelées liaisons hydrogène. Lorsque les fibres sont tendues, ces chaînes s’alignent dans une seule direction et augmentent les liaisons entre elles, rendant la matière plus solide mais moins capable de s’étirer. Cela signifie que la force des fibres dépend de la quantité de tension à laquelle elles ont été soumises lors de leur tissage.
Les détails fins de ce phénomène n’ont pas pu être observés uniquement par des expériences en laboratoire. Ainsi, l’équipe de recherche a utilisé des modèles de calcul avancés pour simuler comment les protéines s’alignent pendant le processus de tension, révélant des changements dans la taille des structures cristallines hydrogène appelées cristaux bêta, qui se forment à l’intérieur des fibres d’araignée lorsque les chaînes protéiques s’alignent de manière ordonnée, renforçant ainsi la solidité du matériau.
Ces structures cristallines sont responsables de la haute rigidité des fibres, agissant comme des zones de soutien qui empêchent facilement la rupture des fibres. Pendant le processus de tension, l’alignement de ces structures cristallines augmente, ce qui renforce encore plus les fibres.
Les liaisons hydrogène internes se forment à l’intérieur d’une seule molécule, ce qui aide à maintenir la stabilité de sa structure. En revanche, les liaisons externes se forment entre différentes chaînes de protéines, renforçant la cohésion des fibres dans leur ensemble. Lorsqu’elles sont tendues, certaines liaisons internes se rompent pour être remplacées par des liaisons externes plus fortes, ce qui améliore la rigidité des fibres mais réduit quelque peu leur flexibilité, rendant le processus de tension un mécanisme de contrôle de la flexibilité et de la rigidité des fibres selon la fonction requise.
Avenir des fils d’araignée synthétiques
Sur le plan industriel, les fils d’araignée conçus pourraient remplacer des matériaux synthétiques résistants tels que le Kevlar et le nylon, offrant une alternative plus durable et écologique. Cependant, le plus grand défi réside dans le développement de méthodes de fabrication à grande échelle et durables pour ces fibres.
Comprendre l’amélioration des matériaux évolutifs pose également un défi majeur, car l’historique des mutations protéiques n’est pas parfaitement conservé dans les archives évolutives. Pourtant, la grande biodiversité des insectes d’aujourd’hui permet aux scientifiques de comparer les séquences de protéines et les comportements à travers les espèces. Bien qu’une araignée puisse produire de la soie à partir d’un nombre limité de protéines, il est possible d’atteindre une large gamme de caractéristiques à partir des mêmes composants lorsque l’araignée ajuste la force qu’elle utilise pour tisser et tendre les fils.
Cela illustre déjà comment améliorer les propriétés des matériaux en combinant l’évolution des protéines et l’adaptation comportementale. Graham affirme : « Tout chercheur fabriquant des matériaux biomimétiques doit étudier attentivement le contexte dans lequel le matériau a évolué pour éviter d’omettre des étapes cruciales dans le processus de production. »
Le chercheur principal de l’étude ajoute que « la soie est caractérisée par une faible densité, ce qui la rend beaucoup plus légère que d’autres matériaux solides tels que l’acier et le Kevlar. Cela améliore considérablement sa portabilité, ce qui est souhaitable dans des domaines tels que la technologie spatiale et l’équipement de protection. »
Il conclut en disant que « le processus de tension peut être amélioré pour créer des toiles de chargement solides afin de sécuriser des charges lourdes ou des tissus flexibles et durables pour ralentir des objets en mouvement à des vitesses élevées. »