Fort comme le verre

25 juillet 2023 | Kim Krieger - UConn Communications

En construisant une structure à partir d'ADN puis en la recouvrant de verre, les chercheurs ont créé un matériau très résistant et de très faible densité.

(Getty Images)

Des matériaux à la fois solides et légers pourraient tout améliorer, des voitures aux gilets pare-balles. Mais généralement, les deux qualités s’excluent mutuellement. Aujourd’hui, des chercheurs et collègues de l’Université du Connecticut ont développé un matériau extraordinairement résistant et léger utilisant deux éléments de base improbables : l’ADN et le verre.

"Pour une densité donnée, notre matériau est le plus résistant connu", déclare Seok-Woo Lee, scientifique des matériaux à UConn. Lee et ses collègues de l'UConn, de l'Université Columbia et du Brookhaven National Lab rapportent les détails le 19 juillet dans Cell Reports Physical Science.

La force est relative. Le fer, par exemple, peut supporter 7 tonnes de pression par centimètre carré. Mais il est également très dense et lourd, pesant 7,8 grammes/centimètre cube. D'autres métaux, comme le titane, sont plus résistants et plus légers que le fer. Et certains alliages combinant plusieurs éléments sont encore plus résistants. Des matériaux solides et légers ont permis de créer des gilets pare-balles légers, de meilleurs dispositifs médicaux et de rendre les voitures et les avions plus sûrs et plus rapides. Le moyen le plus simple d’étendre l’autonomie d’un véhicule électrique, par exemple, n’est pas d’agrandir la batterie mais plutôt d’alléger le véhicule lui-même sans sacrifier la sécurité et la durée de vie. Mais les techniques métallurgiques traditionnelles ont atteint leurs limites ces dernières années, et les scientifiques des matériaux ont dû faire preuve d'encore plus de créativité pour développer de nouveaux matériaux légers à haute résistance.

Aujourd'hui, Lee et ses collègues rapportent qu'en construisant une structure à partir d'ADN puis en la recouvrant de verre, ils ont créé un matériau très résistant avec une très faible densité. Le verre peut sembler un choix surprenant, car il se brise facilement. Cependant, le verre se brise généralement à cause d’un défaut – comme une fissure, une égratignure ou des atomes manquants – dans sa structure. Un centimètre cube de verre impeccable peut résister à 10 tonnes de pression, soit plus de trois fois la pression qui a implosé le submersible Oceangate Titan près du Titanic le mois dernier.

Il est très difficile de créer un grand morceau de verre sans défauts. Mais les chercheurs ont su réaliser de très petites pièces impeccables. Tant que le verre a une épaisseur inférieure à un micromètre, il est presque toujours impeccable. Et comme la densité du verre est bien inférieure à celle des métaux et de la céramique, toute structure constituée de verre nanométrique impeccable doit être solide et légère.

L’équipe a créé une structure d’ADN à auto-assemblage. Presque comme les Magnatiles, des morceaux d'ADN de longueurs et de chimie spécifiques se sont assemblés pour former un squelette de matériau. Imaginez la charpente d’une maison ou d’un bâtiment, mais faite d’ADN.

Oleg Gang et Aaron Mickelson, scientifiques en nanomatériaux à l'Université de Columbia et au Center for Functional Nanomaterials de Brookhaven, ont ensuite recouvert l'ADN d'une très fine couche de matériau semblable à du verre, de seulement quelques centaines d'atomes d'épaisseur. Le verre recouvrait tout juste les brins d’ADN, laissant une grande partie du volume matériel sous forme d’espace vide, un peu comme les pièces d’une maison ou d’un bâtiment. Le squelette d'ADN renforçait la fine couche de verre impeccable, rendant le matériau très résistant, et les vides constituant la majeure partie du volume du matériau le rendaient léger. En conséquence, les structures de nano-réseaux de verre ont une résistance quatre fois supérieure mais une densité cinq fois inférieure à celle de l’acier. Cette combinaison inhabituelle de légèreté et de haute résistance n’a jamais été réalisée auparavant.

« La capacité de créer des nanomatériaux à structure 3D à l’aide de l’ADN et de les minéraliser ouvre d’énormes opportunités pour l’ingénierie des propriétés mécaniques. Mais de nombreux travaux de recherche sont encore nécessaires avant de pouvoir l’utiliser comme technologie », explique Gang.

L’équipe travaille actuellement avec la même structure d’ADN, mais en remplaçant le verre par des céramiques de carbure encore plus résistantes. Ils envisagent d’expérimenter différentes structures d’ADN pour voir laquelle rend le matériau le plus résistant. Les futurs matériaux basés sur ce même concept sont très prometteurs en tant que matériaux économes en énergie pour les véhicules et autres appareils qui privilégient la résistance. Lee pense que la nanoarchitecture de l'ADN origami ouvrira une nouvelle voie pour créer des matériaux plus légers et plus résistants que nous n'avions jamais imaginés auparavant.