Le secret de l'élasticité des fils d'araignée
On sait depuis longtemps que la soie d'araignée est extrêmement résistante et élastique, au point de stopper des objets rapides en mouvement comme des insectes… ou des trains, si l'on en croit le cinéma.
La résistance du fil de soie de ces araignées est excellente, mais c'est surtout son comportement mécanique qui intrigue : il s'étire énormément, puis se rétracte sans jamais se détendre.
On pensait que cette caractéristique était due à la matière seule. Or les fils de soie sont recouverts de fines gouttelettes un peu « collantes ». On a longtemps cru qu'elles ne servaient qu'à capturer la proie en l'engluant dans la toile.
Eh bien non. Ces gouttelettes jouent un rôle bien plus important que celui d'un papier tue-mouche : elles rendent le fil de soie compressible et rétractable. Dans la vidéo des chercheurs, le fil sec ploie dès qu'on le comprime, puisqu'il n'a aucune rigidité. Après dépôt de quelques gouttes d'huile de silicone, il reste parfaitement tendu quand on le comprime et se rétracte comme une tige télescopique.
Comment ça marche ?
Tout devient clair lorsqu'on regarde de plus près :
Le fil s'enroule autour de la gouttelette. Il peut ainsi se rétracter jusqu'à 95 % : on pourrait comprimer un fil d'un mètre en seulement 5 cm. Évidemment, cela ne fonctionne qu'à l'échelle micrométrique, où les forces en jeu ne sont pas négligeables face à la gravité.
Cette découverte est majeure car elle permet d'obtenir d'un fil « solide » un comportement « liquide », comme l'indiquent les chercheurs : un fil souple et sans rigidité peut être comprimé de manière réversible, à tension contrôlée. À cette échelle (quelques microns de large), les fils synthétiques sont très fragiles et les enrouler ou dérouler est très délicat. On sait maintenant obtenir des fils micrométriques extensibles à loisir, de manière réversible, en conservant une tension constante.
Les applications sont multiples : robotique, muscles artificiels, composants électroniques souples et étirables, etc.
Un peu de physique
Les chercheurs ont prouvé que le phénomène fonctionne avec une grande variété de matériaux synthétiques. Ils ont créé des fils « liquides » à base de :
- fils de polyuréthane, PVDF-HFP et PLA, de quelques microns de large et environ un mètre de long, filés par goutte fondue étirée à température ambiante pour les deux premiers, par électrofilage pour le PLA ;
- gouttelettes d'huile de silicone et d'éthanol.
Le choix des matériaux est vaste. Ce qu'il faut surtout pour recréer le phénomène :
- un fluide newtonien pour les gouttelettes, c'est-à-dire dont la viscosité n'est pas affectée par les contraintes mécaniques appliquées (eau, huile, etc.) ;
- une échelle suffisamment petite pour obtenir une gouttelette à peu près sphérique qui tient sur le fil.
Pourquoi ? Parce que les forces de tension superficielle à l'interface liquide/air doivent devenir supérieures à la gravité pour que le liquide forme une goutte à peu près sphérique, ce qui n'est possible que pour une goutte de masse très faible. À l'échelle humaine, une « grosse » goutte d'eau s'écroule sous son propre poids. À moins d'éliminer la gravité : à bord de l'ISS, les astronautes ont pu former une grosse goutte d'eau en apesanteur. Un vrai gain de place pour ranger ses lacets dans l'espace.
Publication originale : Hervé Elettro, Sébastien Neukirch, Fritz Vollrath et Arnaud Antkowiak, « In-drop capillary spooling of spider capture thread inspires hybrid fibers with mixed solid–liquid mechanical properties », PNAS, 2016.