Problématique : Peut-on s’inspirer des structures et matériux de la nature pour construire un avenir durable ?
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| Le biomimétisme Problématique : Peut-on s’inspirer des structures et matériux de la nature pour construire un avenir durable ? Introduction : Du grec bios, vie, et mimésis, imitation, le biomimétisme consiste à observer et comprendre la nature et s’en inspirer pour produire des applications respectueuses de l’environnement. Les plus anciennes formes vivantes sont apparues il y a 3,8 milliards d’années: en matière de durabilité, la nature a une certaine d’avance sur les sociétés humaines… Chaque espèce doit sa survie à un processus d'adaptation naturelle, faite d'essais et d'erreurs, chargée d'enseignements et d'un savoir-faire de génie dont il serait dommage de ne pas s'inspirer: tel est le point de départ du biomimétisme. Ce qui pourrait sembler une simple lubie est au cœur de technologies de pointe, dans l'aéronautique ou la médecine. Les espèces vivantes se comptent en dizaine de millions, et l’existence d’une telle diversité est issue d’un processus d’adaptation sur le long terme. Le biomimétisme est donc aussi une démarche d’innovation qui consiste à adapter certains principes et stratégies des organismes de la biosphère au processus de production de biens et de services dans un objectif de durabilité. Il s’agit de tirer de l’expérience naturelle un maximum d’éléments qui permettent de réduire les coûts énergétiques, et le niveau des émissions nocives, dans le but d’assurer la compatibilité de la vie humaine avec la biosphère. - La nature utilise une source d’énergie principale : l’énergie solaire. - Elle n’utilise que la quantité d’énergie dont elle a besoin. - Elle adapte la forme à la fonction. - Elle recycle tout. - Elle parie sur la biodiversité. - Elle travaille à partir des expertises locales. - Elle limite les excès de l’intérieur. - Elle utilise les contraintes comme source de créativité. Le biomimétisme ne doit pas etre confondu avec le biomorphisme qui est l'imitation esthétique de la nature, ni avec le bionique, qui est l'innovation technologique à partir des fonctionnements du vivant( ex: les robots) Plus les hommes vivaient à proximité de la nature plus ils l’imitaient naturellement. La nature, source d’inspiration inépuisable, est évoquée partout : littérature, légendes et contes, philosophie, poésie, musique ou peinture, inventions. Ainsi l’exemple des Inuits qui auraient bâti leurs igloos en imitant la tanière de l’ours blanc. Chaque époque a recherché dans la nature des solutions à ses problèmes techniques. Après avoir étudié le vol des oiseaux et avoir longuement observé l’anatomie de leurs ailes ainsi que la fonction et la position des plumes, Léonard de Vinci invente l'ornithoptère, une machine semblable à des ailes d’oiseau activées par la force musculaire humaine. Georges Cayley (1773 -1857), le père de l’aéronautique, s’est inspiré du héron. Clément Ader (1841-1925) avec son Eole, premier avion à rester suspendu en l’air un peu plus de 5 secondes, imite point par point la voilure d’une chauve-souris. La nature à horreur des dépenses inutiles d'énergie. Face à des obstacles, les hommes fabriquent des machines et utilisent de l'énergie dans 70 % des cas. Pour résoudre des problèmes similaires, la nature n'a recours à l'énergie que dans 5 % des cas. Plantes et animaux se basent sur la structure et l'organisation des différentes parties de leur corps pour résoudre ces défis. La forme Le biomimétisme des formes se rencontre depuis très longtemps dans les travaux de l’homme, de façon inconsciente le plus souvent. En effet, Leonardo de Vinci peut être considéré comme étant le premier chercheur en biomimétisme. En effet, au XV siècle il étudie le vol des oiseaux pour créer des machines volantes, tel que l’ornithophore.! ! Aujourd’hui les ingénieurs ont la tendance à ne pas utiliser les formes naturels au niveau macroscopique, mais à une échelle micro-scopique, voir nano-scopique.! ! L’un des exemples les plus pris en considération par les chercheurs et les industries en ce moment est celui de l’Effet Lotus. Il consiste en effet en une source d’inspiration pour ses remarquables capacités hydrophobes, c'est-à-dire ses capacités à repousser l’eau et d’autres liquides. Ce phénomène, originairement découvert dans les années 1970 sur le Lotus, se retrouve chez d’autre plantes comme la capucine (utilisée dans le cadre de notre démarche) ou encore chez certains animaux plumés comme les canard ou chez certains insectes. Cette propriété engendre une propriété d’auto-nettoyage, primordiale pour certains des être vivants précédemment mentionnées. Ainsi, l’obtention d’une superficie toujours propre, évite la formation de colonie de micro- organisme (à caractère pathogène) ou des champignons et favorise l’exposition totale de la feuille à la lumière en améliorant le rendement de la photosynthèse. L’homme peut s’inspirer, du modèle structurel responsable de l’Effet Lotus, dans le cadre du biomimétisme, pour en cibler les résultat et les inscrire dans un produit industriel.! ! Le principe de fonctionnement consiste en une réduction de la mouillabilité de la surface de la feuille, c’est à dire dans la réduction du degré d’adhésion, soit l’ensemble des forces exercées par les molécules superficielles de deux corps en contact et qui les mentionnent unis, d’un liquide (eau) sur la surface de la feuille. Cela ce mesure grâce à l’angle de contact θc. Il s’agit de de l’angle formé au point de contact entre le milieu liquide L, le milieu gazeux G et le milieu solide S, par la tangente ΥSL et ΥLG (voir schéma ci-dessous). ! Pour que la surface respulse l’eau, les gouttes doivent prendre une forme le plus sphérique possible. On en déduit que plus la goutte prend une forme sphérique, plus cet angle est important. L’angle de contact peut donc être utilisé pour mesurer la mouillabilité d’un objet. Inversement, plus la goutte sera “aplatie”, plus son adhérence à la surface sera supérieure et moins la surfaça sera hydrophobe. On peut dresser alors un tableau pour la classification des surfaces selon leur angle de contact et donc leur comportement par rapport aux liquides.! 
Dans le cas de la feuille de lotus, les gouttes prennent une forme quasiment sphérique avec un angle de contact supérieur à 140°.! Mais comment les gouttes réussissent-elles à prendre une telle forme? Cela est du a un équilibre entre les forces d’adhésion, les forces qui attirent réciproquement le solide et le liquide, et les forces de cohésion, ici représentées par la tension de surface, qui cherchent à minimiser la superficie du liquide en formant par conséquent une sphère, le solide avec la surface minimale pour un volume donné, avec le but de se stabiliser dans la configuration énergétique la moins importante. Ici, les forces de cohésion l’importent sur celles d’adhésion. En effet, la surface d’une feuille de lotus, contrairement à ce que nous serions amenés à croire à première vue, n’est pas complètement lisse, mais bien, présente une rugosité macroscopique formée de plusieurs papilles recouverte de redusses nanoscopiques. Ainsi on obtient une structure qui intervalle de l’aire à des pic, et la surface de la feuille n’est réduite qu’aux points de contacts entre ceux-ci et la goutte d’eau. Les forces d’adhérence, qui dépendent de la zone de contact sont ainsi minimisée, et c’est les forces de cohésion, que créent ainsi une telle forme.! De cette façon l’eau n’arrive pas à parvenir dans les interstices de la feuille ce qui lui permet, avec une très faible inclinaison de rouler sur la surface de la feuille et importer des éventuels particules de saleté ou des poussières, ce qui confère à la feuille de Lotus, et à ses similaires, la propriété d’auto-nettoyage.!   ! La marque anglaise STO AG, a posé un brevet sur une peinture avec des propriétés superhydrophobes et d’auto-nettoyage inspirées de la feuille de lotus. Une ligne de produit, Lotusan, a été crée par la suite avec comporte plusieurs variations de cette innovation, notamment des peintures pour extérieurs qui confèrent aux bâtiments le pouvoir d’être toujours propres et secs.! ! (à ajouter: 2 exemples / Gabriele! ! 1 dev. durable (suite à STO Lotusan ) / Emie Durabilité de la forme : Durabilité: http://www.terre.tv/fr/2972_mardi-de-lenvironnement--reorienter  Cela reste encore difficile de mesurer parfaitement l'impact que le biomimétisme pourrait avoir sur le développement durable. En effet, cette science possède tellement de sujet/ de facettes differentes qu'il est donc presque impossible de tout mesurer. Cependant nous pouvons utiliser certains exemples contraits pour illustrer les effets que le biomimétisme pourrait avoir. Et nous allons très vite nous rendre compte que la plupart d'entre eux sont positifs. Forme: Cette imitation fait partie des 3 grands principes du biomimétisme. Ce premier niveau se limite à l’imitation stricte de la forme. Mais est-il aussi durable que l'imitation des matériaux du vivant? Au niveau environnemental, la forme n’a pas toujours un réel impact. Nous pouvons utiliser les principes de la peinture hydrophobe pour remarquer que cela permet une réduction de l'utilisation de produits nocifs ( peinture...). Au niveau social, cette peinture permet un environnement plus propre et donc plus sain, plus vivable. Mais elle est aussi plus agréable visuellement et aussi plus pratique et efficace au niveau de l'entretien.  Nous pouvons aussi citer les ailettes quasi verticales en extrémité de voilure, qui améliorent l’efficacité du vol pour une envergure donnée. Ces ailettes sont directement inspirées de la forme des ailes de l’aigle des steppes. Elles permettent de rendre la taille de l’A380 compatible avec les standards aéroportuaires, tout en garantissant d’excellentes performances aérodynamiques. Ce qui releve aussi de la forme.      Mais à cette échelle, les concepteurs d’avions se sont par exemple inspirés de la fonction de détection des rafales par le bec de certains oiseaux de mer. Encore plus appréciée des biomiméticiens, une imitation de second niveau couplée d’un souci de durabilité ! La peau des requins est recouverte de rainures microscopiques réduisant le frottement de l’écoulement sur l’animal, et améliorant ainsi son efficacité énergétique et sa vitesse. Les essais ont confirmé que ce type de surface réduit bien les frottements aérodynamiques, ce qui permet de réduire la consommation et les émissions de CO2= durabilité   Il est toutefois difficile de mesurer la valeur économique de la forme, ou de spécifier ses marchés, et ce problème de représentation pourrait entraver son développement. A la différence des biotechnologies blanches, qui sont pour l’essentiel localisées dans le secteur de la chimie et dont on peut mesurer le chiffre d’affaires, le biomimétisme renvoie davantage à une approche globale, dans le travail de conception (architecture, ingénierie, recherche et développement) qu’à une section particulière, mesurable, d’un secteur d’activité. Dans le même ordre d’idées, le manque de financements et l’incertitude du retour sur investissement jouent un grand rôle dans le maintien du biomimétisme au rang de concept émergent. Les incitations à changer d’approche sont peut-être encore trop faibles, comme le suggère Gauthier Chapelle : « Il est probable que l’énergie fossile ne soit pas encore assez chère et que tant que le processus de production industriel est encore rentable, rien n’incite à la rupture radicale. » La matière Les matériaux de la nature sont divers et variés, pourtant, l’homme persiste à en créer de nouveau. N’est il pas plus respectueux de l’environnement, plus évident et plus durable d’utiliser des matières que la nature à déjà créé pour les besoins de chacun ?? A travers le biomimétisme il est question d’utiliser ces matériaux naturels pour construire un avenir durable. Les chercheurs en biomimétisme s’efforcent de trouver les matériaux de la nature les plus susceptibles de convenir aux besoins de l’homme. Ainsi, certain exemple peuvent être relevés tel que la soie produite par les araignées, la lumière liquide produite par les lucioles etc. ou encore des exemples acquis depuis déjà plusieurs années comme le bois. Pour ce dernier exemple, il est évident que le bois est un matériau très populaire pours les besoins humains. Toutefois, il est important de préciser que c’est en étant proche de la nature que l’on peut le plus facilement la comprendre et donc, qu’on peut mieux l’ « imiter ». En effet, Au début du 18ème siècle, un savant, François Réaumur, observe les guêpes et remarque que la matière de leur nid ressemble fort à du papier. Il se met à chercher à partir de quel matériau ce papier est fait, jusqu’à ce qu’il surprenne une guêpe en train de débiter de ses mandibules le châssis de sa fenêtre. Il comprend donc qu’elles mâchent du bois pour faire leur nid. Il a alors l’idée de fabriquer du papier à partir du bois plutôt que de chiffon. Son mémoire paraît en 1719 ; son intuition ne sera traduite en procédé efficace qu’en 1842. inutile Encore aujourd’hui le bois reste la matière principale pour fabriquer les papiers et les cartons. La soie est l’un des matériaux naturels les plus résistants connus. Les chercheurs tentent d’utiliser la protéine responsable de la résistance de la soie produite par les araignées afin de créer des gilets pare-balles. Pour cela, ils ont dépassé les limites du biomimétisme pour travailler sur la protéine constituant la matière produite par l’araignée. Ils ont donc eu recours à la modification génétique d’une chèvre pour que celle-ci produise du lait contenant cette même protéine dans le but d’étudier ses propriétés ainsi que son comportement. C’est de cette manière que les scientifiques ont créé un matériau flexible et résistant presque aussi performant qu’un gilet pare-balle normalisé. Bien sur, ce n’est qu’une copie de la nature mais les chercheurs ne comptent pas s’arrêter ici, leur but final serait de créer une « peau » protectrice comme le cocon qu’est capable de créer l’araignée pour conserver ces proies. Ainsi, on imiterait la nature évitant de la dégrader tout en assurant une sécurité tout aussi performante voir plus, si l’on parvient à utiliser le matériau dans toutes ses propriétés. Le biomimétisme nous offre donc une nouvelle vision de l’humanité en transformant notre quotidien pour qu’il soit plus simple, plus naturel et plus durable. La bioluminescence Pour illustrer l’utilisation de la nature dans la vie quotidienne, nous avons réalisé une expérience : nous avons créé de la lumière uniquement grâce à des réactions chimiques. De cette manière, nous avons montré le principe de la bioluminescence. Tout d’abord qu’est ce que la bioluminescence : La bioluminescence est la production et l'émission de lumière par un organisme vivant résultant d'une réaction chimique au cours de laquelle l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse en 2 phrases ? . Le mot a pour origine le terme grec bios signifiant vie et le terme latin lumen, lumière. Ce principe est celui utilisé par certains insectes comme les lucioles ou les vers luisants ainsi que de nombreuses espèces des fonds marin et quelques sortes de champignons. Ces êtres vivants créent leur propre lumière pour :
Comment ça marche ? La base de la bioluminescence est une réaction enzymatique. Lorsqu'un être vivant veut créer sa propre bioluminescence, cette lumière est produite par une réaction chimique dans l'organisme. Bien sûr, cette réaction est spécifique d'un enzyme et d'un substrat qui se rencontre au hasard de l'agitation moléculaire. Le mécanisme chimique de ce phénomène a été mis en évidence par Raphaël Dubois lors d'une expérience qu'il a effectuée sur des Lucioles au 19ème siècle. L'étude de ce système biochimique à montré que la réaction implique la Luciférine comme substrat, de la Luciférase comme enzyme. Ici, le nom "Luciférine" est un nom général sans signification chimique car il existe une très grande diversité de molécules substrat qui produisent de la lumière sous l'action de la luciférase. Mais c’est l'américain W.D McElroy qui a démontré peu de temps après que cette réaction de bioluminescence nécessitait aussi de l'oxygène et de l'ATP en présence de l'ion divalent magnésium (Mg2+). Voici les différentes étapes de la réaction : -> Au début de la réaction, l'ATP se lie avec le substrat ( la luciférine ) après avoir été lié avec l'ion magnésium. ( l'ATP ne sert pas de molécule énergétique ) En effet, le complexe MgATP sert de support pour la luciférase. -> Ensuite la Luciférine va réagir avec l'enzyme ( la Luciférase ) et donner une forme intermédiaire, la Luciférine adénylate. On a par la même occasion une libération de Pyrophosphate. -> Sur ce complexe, l'oxygène va réagir en donnant l'Oxyluciférine, un peroxyde qui va rapidement ce cycliser après une libération d'AMP ( Adénosine-5'-monophosphate ) -> Cette molécule, dans un état électronique excité, retourne à l'état stable avec émission d'un photon ( lumière ) et formation de CO2. Par la même occasion, l'enzyme se libère pour aller catalyser une autre réaction.
Nous avons définies ce qu’est la bioluminescence et comment elle fonctionnait, maintenant, nous allons vous présenter notre expérience : Il y a tout d’abord des précautions à prendre. Il faut se munir d’une blouse de gants et éventuellement de masques pour la bouche et le nez. Voici les composants chimiques que nous avons utilisés :
Le protocole :
Conserver au frais et à l'abri de la lumière (réfrigérateur) les solutions A et B. L'émission de lumière est plus longue si les solutions sont refroidies.
Observation : Lorsque l’on ajoute la solution B à la solution A dans laquelle on a introduit l’eau oxygénée juste avant, on observe l’apparition presque instantanément d’une forte intensité lumineuse de couleur bleue qui baisse rapidement avant de disparaitre complètement. On aperçoit également des bulles s’échappant de la solution. De plus, on remarque qu’aucune chaleur n’est créée au cours de la réaction. Nous avons réalisé l’expérience trois fois, une fois avec des solutions à température ambiante puis légèrement refroidies et enfin après être resté une dizaine de minute au congélateur. Si l’on compare les résultats de ces trois expériences, on remarque que plus la température est basse, plus l’émission de lumière dure longtemps. Interprétation : On peut donc en déduire que la réaction de la solution A avec de l’eau oxygénée et de la solution B engendre l’émission d’un photon de lumière visible ainsi que l’apparition de bulle de diazote remontant à la surface. On a donc synthétisé une émission de lumière froide. Ce qu'il c'est vraiment passé : La réaction est une réaction est une réaction d'oxydoréduction notée : C8H7N3O2(aq) + 2H2O2(aq) + 2HO-(aq) C8H5NO42-(aq) + N2(g) + 4H2O(l) Qu'est ce qu'une réaction d'oxydoréduction ?
Ici il y a deux couples : H2O2 / H2O et C8H5NO42- / C8H7N3O2
Comment obtenir l'équation d'une réaction d'oxydoréduction entre le réducteur red1 d'un couple et l'oxydant Ox2 d'un autre couple :
Donc l'eau oxygénée capte des photons H+ et des électrons pour se transformer en eau.
Il y a bien équilibre des éléments chimiques et des charges. Le C8H7N3O2 au contact de l'eau se change en C8H5NO42- en libérant 6 protons H+, quatre électron et en relâchant du gaz N2.
Pour combiner ces deux équations, il faut multiplier par deux chaque coté de la demie équation de l'eau oxygénée pour capter les 4 électron libérés lors de l'oxydation du luminol. C8H7N3O2 + 2H2O + 2H2O2 + 4H+ + 4 e- 6H+ + C8H5NO42- + N2 + 4e- + 4H2O Soit en simplifiant : C8H7N3O2 + 2H2O2 2H+ + C8H5NO42- + N2 + 2H2O La réaction doit être rapide, le luminol a besoin d'un milieu basique pour réagir rapidement : le milieu basique est donc un catalyseur de cette réaction. Pour passer en milieu basique on ajoute autant d'ions HO- qu'il n'y a d'ions H- de chaque coté de l'équation soit : C8H7N3O2 + 2H2O2 + 2HO- 2H+ + 2HO- + C8H5NO42- + N2 + 2H2O Et comme HO- + H+ = H2O : C8H7N3O2 + 2H2O2 + 2HO- C8H5NO42- + N2 + 4H2O  L'ion [Fe(CN)6]3- est un catalyseur de la réaction c'est à dire qu'il accélère la réaction et se reforme après. A la fin de la réaction on obtient de l'eau liquide (H2O), du diazote gazeux (N2), et des ions aminophtalates (C8H5NO42-). L'oxydation du luminol engendre un dégagement de lumière froide (ou spectral). L'ion 3- aminophtalates est dans un état excité puis va ensuite retrouver son état de repos en dégageant des photons qui provoquent une émission de lumière visible. Grâce à l'oxydation du luminol par l'eau oxygénée (visible grâce au ferricyanure de potassium qui accélère la réaction) la molécule de luminol va se transformer en un dianion (ion 3- aminophtalates) qui va passer à l'état excité. Celui-ci va libérer son surplus d'énergie en dégageant des photons. Durabilité : Ce niveau de biomimétisme dépasse l’imitation purement formelle pour se concentrer sur la fabrication, la stratégie du vivant. Elle est la plus appréciée des biomiméticiens car elle permet un haut niveau de durabilité. En effet, prenons l'exemple de la bioluminescence. Si les chercheurs trouvaient un moyen de recréer le processus exact de ces créatures merveilleuses, nous n'aurions alors plus besoin d'électricité! Il suffirait d'utiliser ce liquide pour éclairer nos rues, nos villes, nos maisons. Certains chercheurs réfléchissent même à l'idée d'implanter cette nouvelle molécule crée dans des plantes, nous serions alors éclairés par ces même arbres qui sont dans toutes nos rues. Mais cela dépasserait alors le niveau du biomimétisme.  Dans un registre plus détaillé, le biomimétisme au niveau de la matière réspecterait parfaitement le développement durable à tous ses niveaux. Le facteur environnemental serait parfaitement respecté car nous n'aurions alors plus besoin de créer de l'électricité, donc plus de pollution. Et l'électricité pourrait alors être entièrement dédiée aux voiture ( plus de pétrole= plus de pollution) . Ensuite, au niveau économique, l'électricité coute très cher contrairement à ce liquide qui est partout dans la nature à l'état naturel. Enfin, au niveau social, la baisse du prix permettrait que tous soit équitable et il créerait un monde plus vivable. Le facteur social serait donc tout aussi positif. Sondages Quel est pour vous le plus important de ces principes du développement durable: *
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