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Les matériaux de construction prennent vie

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Les matériaux de construction prennent vie

Les matériaux de construction prennent vie

Cet article est extrait de Science et Avenir – La recherche n°899, daté janvier 2022. 

Le bâtiment n’est équipé d’aucun système de ventilation, pourtant il « respire ». Ses murs, semblables à une peau, possèdent d’invisibles interstices qui régulent la température et l’humidité ambiantes. Ils s’ouvrent lorsque celles-ci dépassent un certain seuil, permettant à l’air de circuler à travers les parois. Et lorsque l’extérieur est trop humide, les pores se referment pour que l’intérieur reste sec. Le tout sans la moindre source d’énergie ni émission de gaz à effet de serre !

De telles habitations pourraient voir le jour d’ici à quelques années grâce à un nouveau type de matériaux développé par le Hub for Biotechnology in the Built Environment, une collaboration entre des chercheurs de l’Université de Newcastle et de l’Université de Northumbria (Royaume-Uni). Baptisé « Respire : Passive, Responsive, Variable Porosity Building Skins« , leur projet vient de recevoir un premier financement privé de 400.000 euros. « Il consiste à incorporer les spores d’un micro-organisme – la bactérie Bacillus subtilis – entre des couches inertes de latex « , explique Ben Bridgens, un des membres de l’équipe. Ces spores, qui mesurent un micromètre (un millième de millimètre) de diamètre, se contractent ou s’élargissent en fonction du taux d’humidité. Elles se comportent ainsi comme des pistons pouvant pousser une fois et demie leur propre masse, ce qui dégage de minuscules orifices. Des tests visant à intégrer le dispositif dans des matériaux de construction sont en cours. Et des prototypes seront présentés au public « dès le courant de l’année prochaine » , assure le scientifique britannique.

« Introduire de la vie dans des structures inertes »

Ces murs qui respirent ne sont que l’une des nombreuses applications envisagées pour une nouvelle famille de matériaux dénommés « matériaux vivants d’ingénierie » ou plus simplement « matériaux vivants ». « L’idée générale consiste à introduire de la vie dans des structures inertes tels que des polymères, du béton ou du verre. Les organismes vivants peuvent être des bactéries ou des champignons mais aussi des cellules végétales et même animales « , indique Bao-Lian Su, chimiste à l’Université de Namur (Belgique) et membre de l’Académie européenne des sciences, qui a introduit cette appellation au milieu des années 2000.

« Les cellules ne sont pas uniquement incorporées dans la partie inerte. Elles influencent la croissance et l’architecture intime des produits finaux, ce qui confère à ces derniers des propriétés inédites calquées sur les grandes fonctions du vivant « , souligne Mathieu Étienne, chercheur au Laboratoire de chimie physique et microbiologie pour les matériaux et l’environnement, à Nancy (Meurthe-et-Moselle). Ces matériaux hybrides artificiels peuvent ainsi s’auto-organiser, s’autoréparer, produire une kyrielle de molécules. Ou encore réagir aux modifications de leur environnement, comme dans les façades développées à l’Université de Newcastle.

« Aujourd’hui les financements affluent et le secteur explose « , se réjouit Bao-Lian Su. Pour preuve, les publications scientifiques ont été multipliées par dix entre 2017 et 2021, passant d’une petite trentaine à plus de 300. « Cette accélération s’explique par les progrès récents et faramineux de la biologie de synthèse, qui manipule le génome des cellules et leur confère toujours plus précisément les propriétés que l’on souhaite. Mais, aussi, par des collaborations de plus en plus étroites entre biologistes et experts en sciences des matériaux « , analyse l’Américain Wil Srubar.

Spécialisé en ingénierie structurale, il a créé en 2015 le Laboratoire pour les matériaux vivants à l’Université du Colorado à Boulder (États-Unis). Et a recueilli, depuis lors, près de 13 millions de dollars pour divers projets de recherche. Début 2020, sous l’égide de l’armée américaine, son équipe a ainsi conçu une sorte de mortier capable de s’autorépliquer. Il est composé de cyanobactéries (du genre Synechococcus) qui sécrètent du carbonate de calcium, ingrédient de base du ciment. Ces micro-organismes ont été mélangés à des nutriments, de la gélatine et du sable. Tandis que la gélatine sert de support à la croissance bactérienne, le carbonate de calcium minéralise l’ensemble qui durcit peu à peu. Résultat : en une demi-douzaine d’heures seulement, on obtient des briques aussi résistantes que du béton ! Il suffit alors de scinder l’une d’elles et d’ajouter dans un moule de la gélatine et du sable pour que la croissance bactérienne reprenne et produise deux nouvelles briques, celles-ci pouvant ensuite être divisées pour en former quatre, huit, seize, etc. Une start-up (Prometheus Materials) a déjà été créée pour développer cette technologie. Et une usine pilote devrait être construite d’ici à la fin de 2022.

L’armée américaine bâtit sur du sable

La Darpa, l’Agence pour les projets de recherche avancée de l’armée américaine, s’intéresse de près aux matériaux vivants d’ingénierie. Elle a lancé, dès 2016, l’Engineered Living Materials Program qui entend « révolutionner la logistique et les constructions militaires dans des environnements lointains, austères, à haut risque ou frappés par des catastrophes naturelles « , explique Blake Bextine qui pilote ce programme. Parmi les recherches que la Darpa a financées, des briques qui s’auto-répliquent de manière exponentielle, composées de cyanobactéries et mises au point à l’Université du Colorado. « Cette technologie, quasi mature, devrait profiter tant au secteur militaire que privé « , précise le biologiste. Elle permettra de construire des baraquements sur des théâtres lointains « sans avoir à acheminer des tonnes de matériaux puisque ces derniers ‘pousseront’ directement sur le site.  » Autre exemple avec le projet Medusa, en référence au monstre mythologique qui transformait ses victimes en pierre. Il consiste à créer des pistes d’atterrissage éphémères en semant sur du sable des bactéries et des nutriments qui durcissent très fortement l’ensemble (voir l’illustration de cet article). Le procédé a été testé avec succès en juillet 2021 sur l’île de Guam (océan Pacifique), permettant de faire atterrir des hélicoptères et des avions à rotors basculants CV-22.

Des microalgues fabriquent des médicaments 24 h sur 24

Preuve que la branche se structure, un premier congrès international (intitulé Living Materials) a été organisé en février 2020 à Sarrebruck (Allemagne). « Très pluridisciplinaire, il a réuni plus de 120 microbiologistes, chimistes, physiciens et ingénieurs ainsi que des industriels, alors même que les Asiatiques n’avaient pu participer en raison de l’épidémie de coronavirus, rapporte Bao-Lian Su. On sentait un vif enthousiasme, un besoin très fort de partager les nouveaux acquis. « 

Le scientifique namurois a présenté à cette occasion Algae Factory, le projet européen qu’il coordonne. Celui-ci tire profit des propriétés photosynthétiques de microalgues marines (de type Dunaliella tertiolecta) -qui, en présence d’eau, de lumière et de dioxyde de carbone, fabriquent des molécules organiques – pour en faire… des usines à médicaments ! Les microalgues sont encapsulées dans une matrice poreuse de silice et d’alginates, polymères biocompatibles et très malléables. Installé dans un photobioréacteur, l’hydrogel qui en résulte fabrique ainsi, 24 heures sur 24, divers produits pharmaceutiques à haute valeur ajoutée, comme des molécules antioxydantes, antibiotiques ou anticancéreuses. « Le procédé devrait être mature d’ici cinq à six ans « , estime Bao-Lian Su.

Présent lui aussi à Sarrebruck, Mathieu Étienne a détaillé d’autres applications potentielles, dans les secteurs des énergies renouvelables et de l’environnement. Son équipe exploite diverses bactéries telle Shewanella oneidensis dont le métabolisme expulse des charges électriques négatives (électrons). En enchâssant ces microbes dans un réseau de nanotubes de carbone (qui captent et transportent les électrons), elle fabrique ainsi des bio-films électro-actifs possédant de fascinantes propriétés. Déposés sur des environnements pollués, ils détruisent les nitrates d’origine agricole grâce à des réactions chimiques d’oxydoréduction. Appliqués sur des déchets alimentaires, ils décomposent la matière organique et produisent du bio-hydrogène servant lui-même à alimenter des piles.

Si les débouchés ne manquent pas, plusieurs défis doivent encore être surmontés pour passer à l’étape industrielle. À commencer par « la viabilité et le maintien des cellules sur le long terme« , insiste Wil Srubar. Les éléments inertes avec lesquels celles-ci doivent cohabiter sont en effet très différents de leur environnement naturel. Les cellules subissent des stress considérables qui réduisent plus ou moins drastiquement leur longévité. « Nos microalgues ne vivent guère plus d’une année, reconnaît Bao-Lian Su. Sans compter que leur efficacité décline fortement avec le temps.  » Pour améliorer les conditions de vie des cellules, les chercheurs se concentrent, en particulier, sur les structures qui les enveloppent et les protègent des conditions extérieures : elles ne doivent pas être trop épaisses, sans quoi les organismes se retrouvent isolés et meurent, ni trop fragiles car elles seraient alors rapidement dissoutes. L’architecture globale joue, elle aussi, un rôle décisif. « Nous devons identifier et optimiser les maillages qui permettent une bonne communication entre les cellules, le transport des nutriments et l’élimination des déchets issus du métabolisme, précise Bao-Lian Su. Comme dans les structures osseuses, les coraux ou les feuilles des arbres au demeurant, matériaux vivants naturels qui constituent notre meilleure source d’inspiration. « 

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Cliquer sur l’image pour l’agrandir. Crédit : BRUNO BOURGEOIS

Des questions éthiques et de biosécurité

Les matériaux vivants soulèvent d’importantes problématiques sociétales. « Qu’ils soient d’origine bactérienne, végétale ou animale, la plupart des organismes incorporés dans ce type de matériaux ont été profondément modifiés, souligne Mathieu Étienne, chimiste à Nancy. Des réflexions devront donc être menées par les comités d’éthique et le législateur afin de déterminer quelles recherches et applications peuvent ou non être conduites et généralisées. » Des normes devront également être établies afin de garantir leur innocuité totale. « Nous sommes très attentifs aux implications éthiques et légales, notamment l’impact sur l’environnement si ces organismes devaient être utilisés dans la vie quotidienne », signale pour sa part Blake Bextine, biologiste travaillant pour l’armée américaine.

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