Des fibres composites issues de la nature

Les matériaux biodégradables produits de manière durable sont un axe important de la recherche moderne sur les matériaux. Mais la transformation de matériaux naturels comme la cellulose, la lignine ou la chitine place les chercheurs devant un compromis. Sous leur forme pure, les matériaux naturels sont certes biodégradables, mais souvent pas assez performants. Des étapes de transformation chimique permettent de les rendre plus solides, plus résistants ou plus souples - mais ce faisant, ils perdent de leur durabilité.

Des chercheurs de l'Empa du laboratoire "Cellulose and Wood Materials" ont maintenant développé un matériau biosourcé qui contourne habilement ce compromis. Il est non seulement entièrement biodégradable, mais aussi résistant à la déchirure et possède de multiples propriétés fonctionnelles. Tout cela avec un minimum d'étapes de transformation et sans aucun produit chimique - on peut même le manger. Son secret : il est vivant.

Optimisé par la nature

Les chercheurs ont utilisé comme base de leur nouveau matériau le mycélium de la scille commune, un champignon comestible très répandu qui pousse sur le bois mort. Les mycéliums sont des structures fongiques filamenteuses semblables à des racines, qui font déjà l'objet de recherches intensives en tant que sources potentielles de matériaux. Normalement, les fibres du mycélium - appelées hyphes - sont nettoyées et éventuellement traitées chimiquement, ce qui implique le compromis bien connu entre performance et durabilité.

Les chercheurs de l'Empa ont choisi une autre approche. Au lieu de préparer le mycélium à grands frais, ils l'utilisent dans son ensemble. En effet, en grandissant, le champignon ne forme pas seulement les hyphes, mais aussi ce que l'on appelle une matrice extracellulaire : un réseau de différentes macromolécules fibreuses, de protéines et d'autres substances biologiques sécrétées par les cellules vivantes. "Le champignon utilise cette matrice extracellulaire pour se doter d'une structure et d'autres propriétés fonctionnelles. Pourquoi ne ferions-nous pas de même ?", explique Ashutosh Sinha, chercheur à l'Empa. "La nature a déjà développé un système optimisé", ajoute Gustav Nyström, directeur du laboratoire "Cellulose and Wood Materials".

Avec un peu de réoptimisation ciblée, les chercheurs ont donné un coup de pouce à la nature. Parmi l'énorme diversité génétique de l'espèce commune, ils ont choisi une souche qui produit une quantité particulièrement importante de deux macromolécules spécifiques : le schizophyllane, un polysaccharide à longue chaîne, et l'hydrophobine, une protéine ressemblant à du savon. En raison de leur structure, les hydrophobines s'accumulent aux interfaces entre les liquides polaires et apolaires, par exemple l'eau et l'huile. Le schizophyllane est une nanofibre : moins d'un nanomètre d'épaisseur, mais plus de mille fois plus longue. Ensemble, ces deux biomolécules confèrent au mycélium vivant des propriétés qui lui permettent d'être utilisé dans les domaines les plus divers.

Un émulsifiant vivant

Les chercheurs ont immédiatement démontré la polyvalence de leur matériau en laboratoire. Dans leur étude, publiée récemment dans la revue spécialisée "Advanced Materials", ils ont présenté deux applications possibles pour le matériau vivant : un film semblable à du plastique et une émulsion. Les émulsions sont des mélanges de deux ou plusieurs liquides qui ne peuvent normalement pas être mélangés. Pour voir un exemple, il suffit d'ouvrir le réfrigérateur : Le lait, la sauce à salade ou la mayonnaise en font partie. Mais divers produits cosmétiques, peintures et vernis se présentent également sous forme d'émulsions.

L'un des défis consiste à stabiliser de tels mélanges afin qu'ils ne se "démixent" pas à nouveau dans les différents liquides au fil du temps. C'est là que le mycélium vivant se montre sous son meilleur jour : les fibres de schizophyllane et les hydrophobes agissent comme des émulsifiants. Et le champignon vivant libère en permanence davantage de ces molécules. "C'est probablement le seul type d'émulsion qui devient plus stable avec le temps", explique Sinha. Tant les filaments du champignon que ses molécules auxiliaires sont totalement atoxiques, biologiquement compatibles et même comestibles - le flétrissement commun est considéré comme un champignon comestible dans de nombreuses régions du monde. "Son utilisation comme émulsifiant dans l'industrie cosmétique et alimentaire est donc particulièrement intéressante", explique Nyström.

Des sacs à compost aux piles

Mais le réseau de champignons vivants entre également en ligne de compte pour des applications matérielles classiques. Dans une deuxième expérience, les chercheurs ont fabriqué de fines feuilles à partir de leur mycélium. La matrice extracellulaire avec les longues fibres de schizophyllane confère au matériau une très bonne résistance à la déchirure, qui peut encore être renforcée en orientant de manière ciblée les fibres de champignons et de polysaccharides.

"Nous combinons les méthodes éprouvées de traitement des matériaux à base de fibres avec le domaine émergent des matériaux vivants", explique Nyström. Sinha ajoute : "Notre mycélium est en quelque sorte un matériau composite fibreux vivant". Les chercheurs peuvent contrôler les propriétés de ce matériau en modifiant les conditions dans lesquelles le champignon se développe. Il serait également envisageable d'utiliser d'autres souches ou espèces de champignons qui produisent d'autres macromolécules fonctionnelles.

Travailler avec un matériau vivant comporte toutefois certains défis. "Les matériaux biodégradables réagissent toujours à leur environnement", sait Nyström. "Nous voulons trouver des applications pour lesquelles cette interaction n'est pas un obstacle - voire un avantage". La biodégradabilité n'est cependant qu'une partie de l'histoire pour le mycélium. Il est également biodégradable : le sclérotinia commun peut décomposer activement le bois et les matériaux végétaux. Sinha voit ici une autre possibilité d'application : "Au lieu des sacs en plastique compostables pour les déchets de cuisine, on pourrait en faire des sacs qui compostent eux-mêmes les déchets organiques", explique le chercheur.

Mais il existe également des applications prometteuses pour le mycélium dans le domaine de l'électronique durable. Par exemple, le matériau fongique réagit de manière réversible à l'humidité et pourrait être utilisé pour fabriquer des capteurs d'humidité biodégradables. Une autre application sur laquelle travaille actuellement l'équipe de Nyström associe le matériau vivant à deux autres projets de recherche du laboratoire "Cellulose and Wood Materials" : la batterie de champignons et la batterie de papier. "Nous voulons fabriquer une batterie compacte et biodégradable dont les électrodes sont constituées d'un 'papier champignon' vivant", explique Sinha.

Auteur

Anna Ettlin est rédactrice scientifique et travaille dans la communication de l'Empa. www.empa.ch