Ils peuvent s'inspirer à la fois du monde animal et végétal pour développer de nouvelles propriétés, débouchant, entre autres, sur une meilleure déperlance des textiles, ou une plus grande captation de l'eau présente dans l'atmosphère...

Les chercheurs du Laboratoire de Tribologie[1] et Dynamique des Systèmes (LTDS) de l'École Centrale de Lyon se sont ouverts à un autre champ de la science, qui croise lui-même d'autres disciplines : celui du biomimétisme. Ou comment s'inspirer des propriétés du vivant, pour développer des innovations inspirées directement de la nature et de facultés d'adaptation à son environnement. « Notre laboratoire, rattaché à plusieurs tutelles dont l'École Centrale de Lyon, l'ENTPE et le CNRS, s'occupe de toutes les problématiques de surface, en étudiant notamment les phénomènes d'usure, de vieillissement, de performance des systèmes, que l'on retrouve dans les champs de la physique, de la mécanique et de la chimie », explique Stéphane Valette, professeur en science des matériaux au LTDS.

De la chimie et physique des matériaux à celle du vivant

« Les premiers travaux dans le biomimétisme remontent au xve siècle avec Léonard de Vinci, mais ils ont été boostés en 1997 avec des explications autour de l'effet lotus[2] qui a représenté un tournant majeur », illustre Stéphane Valette.

L'École Centrale s'est saisie de la question avec le financement d'une première thèse encadrée entre 2008 et 2011, autour de la réplication des surfaces végétales. C'est en examinant la nature que les scientifiques ont trouvé une autre source d'inspiration : « On s'est rendu compte que certaines propriétés, développées à l'échelle de 4 à 5 milliards d'années d'évolution, ont permis au vivant de développer des propriétés de surfaces particulières ». Il existe déjà autour de nous des surfaces dites hydrophiles (qui attirent l'eau), hydrophobes (qui la repoussent), voire super-hydrophobes (qui la rejettent). Résultat ? Le LTDS s'inspire désormais du vivant pour concevoir des matériaux plus absorbants ou, bien au contraire, plus résistants à l'eau.

Compléter le travail des biologistes

« Nous ne sommes pas des biologistes, c'est pourquoi l'un de nos premiers travaux a consisté à discuter avec les sciences du vivant et à réaliser des prélèvements, de feuilles et de pétales par exemple, afin de sonder leur surface et d'établir des relevés topographiques à une échelle très précise, de l'ordre de quelques nanomètres. » Avec, parmi les premières plantes étudiées, le bambou. Il a des propriétés déperlantes, qui font que les gouttes de liquides projetées sur la plante seront immédiatement rejetées à sa surface ou qui, à travers son architecture, empêchent la formation de biofilms sur sa surface, permettant de développer des propriétés antibactériennes.

Les travaux du LTDS ont démontré qu'il ne s'agissait pas uniquement d'une affaire de chimie des matériaux : « On s'aperçoit que le relief est déterminant dans ce type de propriétés. Notre travail consiste à reconnaître et copier le plus précisément possible la hauteur, la distribution, les orientations des pentes, d'une surface que l'on sélectionne pour ses propriétés », explique Stéphane Valette. C'est ainsi que le LTDS a cherché à reproduire les caractéristiques du bambou (déperlance et retardement de la formation de biofilms) sur d'autres surfaces métalliques.

Des surfaces antibuée à de meilleurs coefficients de frottement

Les débouchés de ces travaux sont nombreux : le LTDS a même établi un partenariat de recherche avec le jardin botanique de Lyon afin d'élargir ses travaux à plusieurs espèces de plantes : bambous, fleurs de lotus, mais aussi primevères, iris de Louisiane, etc. « Nous commençons à avoir un catalogue d'espèces conséquent », concède le physicien.

« En matière de super-hydrophobie ou d'hydrophilie, on peut développer ainsi des surfaces antibuée qui se passent de traitements chimiques peu écologiques, également moins susceptibles de se détériorer dans le temps, ou encore des applications antigivre pour limiter la formation de glace, améliorer le transfert thermique par texturisation », expose Stéphane Valette. Des applications qui intéressent tout particulièrement les industriels de plusieurs secteurs, dont l'aéronautique.

Un groupe d'élèves de Centrale Lyon, associé au LTDS, travaille par ailleurs à concevoir la première Warka Tower de la région Auvergne-Rhône-Alpes (la toute première Warka Tower fut érigée en 2015 en Éthiopie par Arturo Vittori, architecte italien, qui en a inventé le concept, ndlr), à partir d'une tour de bambou permettant de capturer l'humidité de l'air. Objectif : récupérer plusieurs dizaines de litres d'eau par jour, y compris en période de sécheresse ou de canicule. Autre exemple ? L'inspiration de certaines espèces, comme le scarabée du désert de Namibie, capable de récupérer une très faible quantité d'eau grâce à ses élytres, des ailes dures dont la surface est composée de pics hydrophiles et de vallées hydrophobes qui, répliquées à grande échelle, peuvent agir comme un récupérateur d'eau. « Dans le cas d'applications industrielles liées à la peinture, au collage ou à l'adhésion, on peut aller chercher des propriétés susceptibles non pas de rejeter un liquide, mais au contraire, de le faire adhérer, comme dans le cas des espèces animales ou végétales issues des milieux désertiques, qui ont besoin de capter l'eau présente dans l'air », reconnaît Stéphane Valette.

Un partenariat gagnant-gagnant pour former les ingénieurs de demain

Certains de ces projets seraient proches d'être transférés sur le terrain. « Nous avons même déposé un brevet pour une surface hydrophilique supertexturée », glisse-t-il. Pour autant, le champ applicatif revient en définitive aux partenariats tissés par le laboratoire lyonnais, et qui s'avèrent particulièrement nombreux : « Le LTDS est l'un des laboratoires qui possèdent le nombre le plus élevé de partenariats avec des entreprises françaises et internationales, au sein du département d'ingénierie du CNRS. On y retrouve des partenariats établis avec la plupart des grands noms de l'industrie française : Total, Renault, Airbus, Safran, Rolls Royce, Schneider Electric, Framatome, etc., mais aussi des PME locales. »

Du côté des chercheurs lyonnais, l'ambition demeure de conjuguer l'atteinte de nouvelles performances, tout en se projetant sur le rapport que la technologie entretient avec le vivant. « C'est un travail d'humilité que d'aller chercher des exemples, qui se trouvent sous nos pieds tous les jours », admet Stéphane Valette. Cette démarche s'inscrit d'ailleurs dans la volonté des écoles d'ingénieurs de prendre désormais en compte l'ensemble des grandes transitions : écologiques, énergétiques, climatiques... « Il s'agit d'une démarche qui s'inscrit dans les réflexions sociétales actuelles sur le cycle de vie des produits. D'ailleurs, c'est pour cela qu'un projet de formation de master international dédié aux surfaces et au biomimétisme devrait voir le jour au sein de l'École Centrale de Lyon d'ici 2022 », annonce Stéphane Valette. De quoi accompagner un véritable changement de paradigme, au sein du processus d'innovation, au cours des prochaines années ? « Nous avons une vraie responsabilité qui est de former les jeunes ingénieurs de demain qui vont penser nos voitures, nos bâtiments et nos routes et devront réfléchir à l'impact de leurs décisions sur la consommation d'énergie, l'impact sur le vivant, la biodiversité, etc. Et cela ne pourra se faire qu'en intégrant le vivant », affirme le scientifique.

[1] Science et technologie des surfaces en contact animées d'un mouvement relatif.

[2] L'effet lotus est un phénomène de superhydrophobie causé par une rugosité nanométrique. Son nom provient du lotus dont les feuilles présentent cette caractéristique.

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Cet article est extrait de "T" La Revue de La Tribune n°6 - PLANETE MON AMOUR - Réparons les dégâts ! Octobre  2021 - Découvrez la version papier