Le gumboot cétogène n’est pas une créature magique. De gros mollusques grumeleux rampent le long des eaux de la côte du Pacifique, tirant leur corps brun rougeâtre le long du rivage. Il est parfois connu, non sans raison, sous le nom de « pain de viande itinérant ». Mais l’humble corps cétonique cache un ensemble de dents petites mais énormes. Ces dents, que la créature utilise pour gratter les algues des rochers, sont parmi les matériaux les plus durs connus trouvés dans un organisme.
Maintenant, une équipe de scientifiques a découvert un ingrédient surprenant dans les dents dures et rocheuses de la cétone : un minéral rare à base de fer qui n’était auparavant trouvé que dans les roches réelles. Les fines particules de métal, solides mais légères, aident à renforcer la racine des dents du mollusque, Les chercheurs ont rapporté dans le magazine PNAS lundi.
La découverte pourrait aider les ingénieurs à concevoir de nouveaux types de matériaux, selon les scientifiques, qui ont fourni une preuve de principe en créant une nouvelle encre inspirée des cétones pour les imprimantes 3D.
La cétone se nourrit en balayant sa langue flexible en forme de ruban, connue sous le nom de radula, le long des rochers couverts de mousse. Ses dents très dures s’alignent en rangées le long de la racine mince. Un long tube creux, appelé stylet, fixe chaque dent à la radiola.
Les scientifiques avaient déjà découvert que le sommet des dents cétoniques contenait un minerai de fer appelé magnétite, mais ils en savent peu sur la composition du stylet. « Nous avons appris que le dessus de la dent contient du fer », a déclaré Linus Stegbauer, scientifique des matériaux à l’Université de Stuttgart en Allemagne et premier auteur du document de recherche. « Mais dans la structure racine, nous n’avions aucune idée de ce qui se passait là-bas. »
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont analysé les dents cétoniques à l’aide de diverses techniques d’imagerie avancées, y compris plusieurs types de spectroscopie, qui permettent aux scientifiques d’en apprendre davantage sur les propriétés chimiques et physiques du matériau en observant comment il interagit avec la lumière et d’autres types de rayonnement électromagnétique.
Ils ont découvert que le stylo contenait de minuscules particules d’un type de minéral à base de fer en suspension dans une matrice plus molle. (La matrice est constituée de chitine, le composé qui constitue les exosquelettes des insectes et des crustacés.)
Après une analyse plus approfondie, ils ont été choqués de découvrir que les particules du minéral étaient de la santabarbaraite, un minéral qui n’avait jamais été observé auparavant chez les êtres vivants. « C’était toute une série de surprises, puis ça n’a cessé de se produire », a déclaré Dirk Guester, auteur principal et scientifique des matériaux à l’Université Northwestern.
La Santabarbaraite est un minéral dur mais contient moins de fer et plus d’eau que la magnétite, ce qui la rend moins dense. Le minéral peut permettre aux cétones de construire des dents solides et légères tout en réduisant leur dépendance au fer. « Le fer est une substance physiologiquement rare », a déclaré le Dr Joester.
Les chercheurs ont également découvert que les particules de santabarite n’étaient pas réparties uniformément dans tout l’enclos. Au lieu de cela, ils sont concentrés dans la partie supérieure, la plus proche de la surface de la dent, et deviennent clairsemés dans la partie inférieure, où le stylo se connecte au pradol mou. Ce modèle de distribution crée un dégradé, ce qui rend le stylo plus rigide, plus rigide en haut et plus flexible en bas.
« L’organisme a un contrôle spatial énorme sur l’endroit où va le métal », a déclaré le Dr Joester. « Et cela, je pense, nous a vraiment amenés à réfléchir à la façon dont cela pourrait être utilisé pour fabriquer des matériaux. Si un organisme peut concevoir cela, pouvons-nous faire de même? »
Les chercheurs ont décidé d’essayer de créer une nouvelle « encre » d’imprimante 3D inspirée de la dent cétogène. Ils ont commencé avec un composé similaire à la chitine, puis ont ajouté deux liquides : un contenant du fer et un contenant du phosphate. Le mélange des ingrédients donne une pâte épaisse parsemée de petites particules d’un minéral similaire à la santabarbarite. « Et puis il est prêt à imprimer – vous pouvez simplement le transférer sur une imprimante 3D », a déclaré le Dr Stegbauer.
L’encre durcissait en séchant, mais ses propriétés physiques finales dépendaient de la quantité de fer et de phosphate ajoutée au mélange. Et plus on en ajoute, plus il se forme de nanoparticules, et le matériau final devient plus rigide et plus dur. En modifiant la recette de cette manière, les chercheurs peuvent créer des choses qui sont souples et moelleuses comme des calmars ou aussi dures et dures que des os.
« Il devrait être possible de mélanger l’encre dans une proportion que vous pouvez modifier juste avant l’impression », a déclaré le Dr Joster. Cela permettrait de modifier la composition, la quantité de nanoparticules, et donc la résistance du matériau en vol. Cela signifie que vous pouvez imprimer des matériaux dont la résistance change de manière très spectaculaire sur des distances relativement courtes. »
Cette technologie peut être utile dans le domaine en plein essor de la robotique douce, permettant aux ingénieurs de créer des machines rigides à certains endroits et souples et flexibles à d’autres, a déclaré le Dr Joster.
