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Science des matériaux : matériau absorbant l’eau inspiré des plantes

Les robots mous pourraient un jour être alimentés par un matériau qui absorbe l’eau pour devenir solide et rigide, imitant la physique des cellules des racines des plantes


La technologie


4 novembre 2021

Par

Hydrilla, vue de la surface de la feuille

Cellules végétales au microscope

Rattiya Thongdumhyu/Shutterstock

Les plantes n’ont peut-être pas de muscles, mais elles peuvent pousser vers le haut contre la force de la gravité et leurs racines peuvent même déplacer le sol et les roches, car leurs cellules peuvent absorber l’eau pour former des structures solides. Désormais, un matériau artificiel qui imite cette capacité pourrait aider à créer de meilleurs robots mous et implants médicaux.

Shelby Hutchens et ses collègues de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign ont formé des analogues de tissus végétaux (PTA) en fabriquant des cellules fermées à partir d’un composé de silicium appelé polydiméthylsiloxane, qui est semi-perméable comme les parois cellulaires végétales.

Les chercheurs ont utilisé différents niveaux de sel à l’intérieur des cellules pour contrôler la quantité d’eau pure de l’extérieur absorbée par les parois cellulaires du polydiméthylsiloxane par osmose. Plus la concentration en sel était élevée, plus l’eau était absorbée et plus les cellules devenaient rigides et grosses. Cela a dû être réglé avec soin, car à des concentrations de sel très élevées, les cellules artificielles se sont rompues.

L’équipe a découvert que si une couche de ce matériau était liée à une substance moins extensible, l’augmentation de la taille du PTA le faisait se déplacer et se plier en une forme arquée alors qu’un côté se dilatait et que l’autre restait à sa taille d’origine. Ce mouvement ne nécessitait aucune alimentation électrique, seulement une source d’humidité, et pourrait être utilisé pour alimenter des robots mous ou des dispositifs médicaux à l’avenir.

Les matériaux précédents comme hydrogels ont montré qu’ils présentent le même comportement d’expansion, mais ils perdent de la rigidité en gonflant. En revanche, le PTA s’est avéré se renforcer lorsqu’il a absorbé de l’eau.

Dans une expérience, l’équipe a montré comment cela affecte l’application potentielle des matériaux. Ils ont pris une bande de PTA et une bande d’hydrogel, chacune liée à un matériau qui se dilatait moins, et les ont exposées à l’eau. Les deux présentaient le même gonflement et la même déformation, se recourbant vers le haut. Cependant, lorsque l’expérience a été répétée avec l’ajout d’un poids de 5 grammes à l’extrémité de chaque bande, le PTA s’est recourbé vers le haut tout en « maintenant » le poids, mais l’hydrogel n’avait pas la force interne pour le faire.

Dans une autre expérience, des petits disques de PTA et d’hydrogel pesant chacun 0,15 gramme ont été placés dans des béchers et recouverts de 5 centimètres de sable humide. Le PTA a gonflé jusqu’au double de sa surface initiale, déplaçant le sable, tandis que l’hydrogel n’a augmenté qu’à 56 % de la surface finale du PTA.

Référence de la revue : Question, DOI : 10.1016/j.matt.2021.10.015

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