Nanocellulose et algues : une alternative verte pour la construction

Une nouvelle étude propose une solution innovante pour l’industrie de la construction. Pour la première fois, un matériau hydrogel à base de nanocellulose et d’algues a été testé comme matériau de construction alternatif et plus écologique. Le secteur de la construction, connu pour sa consommation élevée d’énergie et ses émissions de CO2 pourrait grandement en bénéficier.

Le matériau, développé par l’Université de Technologie de Chalmers et le Wallenberg Wood Science Center en Suède, a démontré comment cette ressource durable et abondante est en mesure d’être imprimée en 3D pour créer une variété de composants architecturaux. Cette méthode utilise beaucoup moins d’énergie que les méthodes de construction conventionnelles.

En effet, l’industrie de la construction consomme actuellement 50% des ressources fossiles mondiales, génère 40% des déchets mondiaux et est responsable de 39% des émissions mondiales de dioxyde de carbone.

La nanocellulose n’est pas un nouveau biomatériau, et ses propriétés en tant qu’hydrogel sont connues dans le domaine de la biomédecine, où elle peut être imprimée en 3D pour créer des cadres pour la croissance des tissus et des cellules, en raison de sa biocompatibilité et de son humidité. En revanche, elle n’a jamais été séchée et utilisée comme matériau architectural auparavant.

Un processus d’impression 3D efficace

L’équipe a utilisé des fibres de nanocellulose et de l’eau, avec l’ajout d’un matériau à base d’algues appelé alginate.

L’alginate a permis aux chercheurs de produire un matériau imprimable en 3D, car l’alginate ajoutait une flexibilité supplémentaire au matériau lorsqu’il séchait. La cellulose est considérée comme l’alternative écologique la plus abondante au plastique, car elle est l’un des sous-produits des plus grandes industries du monde.

L’impression 3D est une technique très efficace en termes de ressources. Elle permet de fabriquer des produits sans autres éléments tels que des matrices et des formes de coulée, il y a donc moins de déchets. Elle est également très économe en énergie. Le système d’impression 3D robotisé que nous utilisons ne nécessite pas de chaleur, juste de la pression d’air. Cela permet d’économiser beaucoup d’énergie car nous travaillons uniquement à température ambiante.

L’avenir des matériaux de construction plus écologiques

« Les matériaux de construction traditionnels sont conçus pour durer des centaines d’années. En général, ils ont des comportements prévisibles et des propriétés homogènes. Nous avons le béton, le verre et toutes sortes de matériaux durs qui durent et nous savons comment ils vieilliront avec le temps. Contrairement à cela, les matériaux biosourcés contiennent des matières organiques, qui sont dès le départ conçues pour se biodégrader et retourner dans la nature. Nous devons donc acquérir des connaissances totalement nouvelles sur la manière dont nous pourrions les appliquer en architecture, et sur la manière dont nous pourrions adopter leurs cycles de vie plus courts et leurs modèles de comportement hétérogènes, qui ressemblent davantage à ceux que l’on trouve dans la nature qu’à ceux que l’on trouve dans un environnement artificiel et entièrement contrôlé. Les chercheurs en design et les architectes s’efforcent aujourd’hui de trouver des moyens de concevoir des produits à partir de ces matériaux, tant sur le plan fonctionnel qu’esthétique« , déclare Malgorzata Zboinska auteur principal de l’étude de l’université de technologie de Chalmers.

Cette étude constitue une première étape dans la démonstration des possibilités de mise à l’échelle des constructions de membranes de nanocellulose séchées à l’air libre et imprimées en 3D, ainsi qu’une nouvelle compréhension de la relation entre la conception des voies de dépôt du matériau via l’impression 3D et les effets dimensionnels, texturaux et géométriques dans les constructions finales.

Ces connaissances constituent une étape nécessaire qui permettra à Malgorzata Zboinska et à son équipe de développer, grâce à des recherches plus approfondies, des applications de la nanocellulose dans des produits architecturaux qui doivent répondre à des exigences fonctionnelles et esthétiques spécifiques de la part des utilisateurs.

« Les propriétés encore mal connues des nouveaux matériaux d’origine biologique incitent les chercheurs en architecture à élaborer d’autres approches pour concevoir ces nouveaux produits, non seulement en termes de qualités fonctionnelles, mais aussi d’acceptation par les utilisateurs. L’esthétique des matériaux biosourcés est un élément important à cet égard. Si nous voulons proposer ces matériaux biosourcés à la société et aux gens, nous devons également travailler sur le design. Cela devient un élément très important pour l’acceptation de ces matériaux. Si les gens ne les acceptent pas, nous n’atteindrons pas les objectifs d’une économie circulaire et d’un environnement bâti durable« .

En synthèse

L’étude en question fournit les premières étapes pour démontrer les potentiels de mise à l’échelle des constructions de membranes de nanocellulose imprimées en 3D et séchées à l’air ambiant, ainsi qu’une nouvelle compréhension de la relation entre la conception des voies de dépôt du matériau via l’impression 3D, et les effets dimensionnels, texturaux et géométriques dans les constructions finales.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la nanocellulose ?

La nanocellulose est un biomatériau dérivé de la cellulose, une substance organique qui est l’un des principaux composants des plantes. Elle est connue pour ses propriétés en tant qu’hydrogel dans le domaine de la biomédecine.

Comment la nanocellulose est-elle utilisée dans la construction ?

La nanocellulose, combinée à un matériau à base d’algues appelé alginate, peut être imprimée en 3D pour créer une variété de composants architecturaux. C’est la première fois qu’elle est utilisée de cette manière.

Quels sont les avantages de l’utilisation de la nanocellulose dans la construction ?

L’utilisation de la nanocellulose dans la construction présente plusieurs avantages. Elle est abondante, durable et peut être utilisée pour créer une variété de composants architecturaux. De plus, le processus d’impression 3D est très efficace en termes de ressources et d’énergie.

Quels sont les défis liés à l’utilisation de la nanocellulose dans la construction ?

Comme pour tout nouveau matériau, il existe des défis à relever. Par exemple, il est nécessaire de comprendre comment la nanocellulose se comporte lorsqu’elle est séchée et utilisée comme matériau de construction. De plus, il est important de travailler sur l’acceptation de ces matériaux par la société.

Quelle est la prochaine étape pour l’utilisation de la nanocellulose ?

La prochaine étape consiste à développer davantage d’applications de la nanocellulose dans des produits architecturaux qui doivent répondre à des exigences fonctionnelles et esthétiques spécifiques. Cela nécessitera des recherches supplémentaires.

Références

Légende illustration : La nanocellulose imprimée en 3D est mise à l’échelle pour des applications architecturales écologiques. Crédit: Chalmers University of Technology | Emma Fry

Article : « Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dried cellulose nanofibril-alginate hydrogel » – DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112472