Des matériaux bioluminescents : une lumière qui dure 5 mois

Une équipe de chercheurs a mis au point des matériaux doux mais durables qui émettent de la lumière en réponse à des contraintes mécaniques, comme la compression, l’étirement ou la torsion. Ces matériaux tirent leur luminescence d’algues unicellulaires connues sous le nom de dinoflagellés.

Le travail, inspiré par les vagues bioluminescentes observées lors des marées rouges sur les plages de San Diego, a été publié dans Science Advances.

Une simplicité inhérente

« Une caractéristique passionnante de ces matériaux est leur simplicité inhérente – ils n’ont besoin d’aucun électronique, aucune source d’énergie externe », a commenté l’auteur principal de l’étude, Shengqiang Cai, professeur de génie mécanique et aérospatial à l’UC San Diego Jacobs School of Engineering. « Nous démontrons comment nous pouvons exploiter la puissance de la nature pour convertir directement les stimuli mécaniques en émission de lumière. »

Cette étude a été une collaboration multidisciplinaire impliquant des ingénieurs et des scientifiques des matériaux dans le laboratoire de Cai, le biologiste marin Michael Latz à l’Institut d’océanographie Scripps de l’UC San Diego, et le professeur de physique Maziyar Jalaal à l’Université d’Amsterdam.

Des matériaux bioluminescents

Les ingrédients principaux des matériaux bioluminescents sont les dinoflagellés et un polymère à base d’algues appelé alginate.

Ces éléments ont été mélangés pour former une solution, qui a ensuite été traitée avec une imprimante 3D pour créer une diversité de formes, comme des grilles, des spirales, des toiles d’araignée, des balles, des blocs et des structures en forme de pyramide.

Les structures imprimées en 3D ont ensuite été durcies comme étape finale.

Réaction à la contrainte mécanique

Lorsque les matériaux sont soumis à une compression, un étirement ou une torsion, les dinoflagellés à l’intérieur réagissent en émettant de la lumière. Cette réponse imite ce qui se passe dans l’océan, lorsque les dinoflagellés produisent des éclairs de lumière dans le cadre d’une stratégie de défense contre les prédateurs.

Dans les tests, les matériaux ont brillé lorsque les chercheurs ont appuyé dessus et tracé des motifs sur leur surface. Les matériaux étaient même suffisamment sensibles pour briller sous le poids d’une balle en mousse roulant sur leur surface. Plus la contrainte appliquée était grande, plus la lumière était brillante.

Des matériaux résilients

Les chercheurs ont également démontré des techniques pour rendre ces matériaux résilients dans diverses conditions expérimentales. Pour renforcer les matériaux afin qu’ils puissent supporter des charges mécaniques importantes, un second polymère, le poly(éthylène glycol) diacrylate, a été ajouté au mélange original.

De plus, le revêtement des matériaux avec un polymère caoutchouteux extensible appelé Ecoflex a assuré une protection dans des solutions acides et basiques. Avec cette couche protectrice, les matériaux pouvaient même être stockés dans l’eau de mer pendant jusqu’à cinq mois sans perdre leur forme ou leurs propriétés bioluminescentes.

Des matériaux autonome

Une autre caractéristique bénéfique de ces matériaux est leur faible exigence en matière d’entretien. Pour continuer à fonctionner, les dinoflagellés à l’intérieur des matériaux ont besoin de cycles périodiques de lumière et d’obscurité.

Pendant la phase de lumière, ils photosynthétisent pour produire de la nourriture et de l’énergie, qui sont ensuite utilisées dans la phase sombre pour émettre de la lumière lorsque des contraintes mécaniques sont appliquées. Ce comportement reflète les processus naturels en jeu lorsque les dinoflagellés provoquent la bioluminescence dans l’océan lors des événements de marée rouge.

En synthèse

« Ce travail actuel démontre une méthode simple pour combiner des organismes vivants avec des composants non vivants pour fabriquer des matériaux novateurs qui sont auto-entretenus et sensibles aux stimuli mécaniques fondamentaux trouvés dans la nature », a précisé l’auteur principal de l’étude, Chenghai Li.

Les chercheurs envisagent que ces matériaux pourraient potentiellement être utilisés comme capteurs mécaniques pour mesurer la pression, la contrainte ou le stress. D’autres applications potentielles comprennent la robotique douce et les dispositifs biomédicaux qui utilisent des signaux lumineux pour effectuer des traitements ou libérer des médicaments de manière contrôlée.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les matériaux bioluminescents ?

Les matériaux bioluminescents sont des matériaux qui émettent de la lumière en réponse à des contraintes mécaniques. Ils sont fabriqués à partir de dinoflagellés, des algues unicellulaires, et d’un polymère à base d’algues appelé alginate.

Comment ces matériaux sont-ils fabriqués ?

Les dinoflagellés et l’alginate sont mélangés pour former une solution, qui est ensuite traitée avec une imprimante 3D pour créer une diversité de formes. Les structures imprimées en 3D sont ensuite durcies comme étape finale.

Comment ces matériaux réagissent-ils à la contrainte mécanique ?

Lorsque les matériaux sont soumis à une compression, un étirement ou une torsion, les dinoflagellés à l’intérieur réagissent en émettant de la lumière. Plus la contrainte appliquée est grande, plus la lumière est brillante.

Quelles sont les applications potentielles de ces matériaux ?

Les chercheurs envisagent que ces matériaux pourraient potentiellement être utilisés comme capteurs mécaniques pour mesurer la pression, la contrainte ou le stress. D’autres applications potentielles comprennent la robotique douce et les dispositifs biomédicaux qui utilisent des signaux lumineux pour effectuer des traitements ou libérer des médicaments de manière contrôlée.

Quels sont les avantages de ces matériaux ?

Ces matériaux sont résilients, capables de supporter des charges mécaniques importantes et de résister à des solutions acides et basiques. Ils ont également des exigences d’entretien minimales, nécessitant seulement des cycles périodiques de lumière et d’obscurité pour continuer à fonctionner.

Article : « Ultrasensitive and robust mechanoluminescent living composites » – Co-authors include Zijun Wang and Nada F. Qari, UC San Diego; and Nico Schramma, University of Amsterdam – DOI: 10.1126/sciadv.adi8643

Légende illustration principale : les matériaux souples et vivants s’illuminent en réponse à une contrainte mécanique, telle que la compression, l’étirement ou la torsion. Credit : UC San Diego Jacobs School of Engineering