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Création d’un nouveau type de matériau inspiré de la loi de Murray - Par : Hanen Hattab,

Création d’un nouveau type de matériau inspiré de la loi de Murray


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Bao-Lian Su, membre du collège Clare Hall de l’Université de Cambridge a créé une nouvelle typologie de matériau poreux qui peut améliorer la performance de plusieurs types d’appareils et de composants, des batteries rechargeables aux capteurs de gaz haute performance. Composé de canaux interconnectés ayant des dimensions prédéterminées et permettant un échange et un transfert très efficient dans des réactions liquide-solide, gaz-solide et d’électrochimie, ce matériau a été inspiré d’un principe organique expliqué par la loi de Murray.

 

Qu’est-ce que la loi de Murray?

Les réseaux fluidiques des organismes vivants (végétaux et animaux) sont assemblés suivant une structure ramifiée et hiérarchisée. Les formes de leurs connexions s’adaptent à leur environnement externe et évoluent, pendant leur vie, afin de maximiser les processus de transport des substances. La loi de Cecil Murray, publiée en 1926, explique le fonctionnement et le comportement physiologique de ce type de réseau en partant du cas de l’organisme humain. Cette loi postule que la morphologie des sections et des angles de ramification des vaisseaux sanguins assure la circulation des fluides de façon optimale, selon ce que le scientifique a appelé le « principe du travail minimal ». En effet, plusieurs organismes naturels présentent un réseau hiérarchisé basé sur la loi de Murray, comme les branches des arbres, afin de conjuguer efficacité élevée et faible consommation d’énergie dans le transfert et l’échange de substances. L’évolution a permis à la nature d’optimiser ces réseaux en diminuant régulièrement sa morphologie et en ramifiant ses unités comme les tiges, les feuilles, etc., de telle sorte à aboutir à des unités ayant des dimensions bien définies.

La loi de Murray concerne communément la physiologie d’un réseau organique clos, considéré à l’intérieur d’un volume macroscopique ou microscopique. Ces structures naturelles s’auto-optimisent en créant des ramifications pour maximiser la surface d’échange, qui représente le dernier niveau du réseau (les capillaires dans le cas du corps humain), et définir les dimensions des pores de connexions entre les unités. En se subdivisant, elles régulent les diamètres des pores macroscopiques et microscopiques. De plus, ces régulations assurent le bon fonctionnement des connexions fluidiques multiéchelles. Par exemple, les connexions entre la tige et la feuille, et dans les pores trachéaux, sont deux niveaux où les transferts de fluide, les taux de photosynthèse et le processus de diffusion gazeuse sont optimaux grâce à l’adaptation morphologique.

Murray a proposé de partir de cette double conception physique et physiologique à savoir, l’explication de la morphogenèse par le fonctionnement physiologique et l’explication du fonctionnement physiologique par le principe d’optimalité, pour proposer une loi mathématique qui permet de modéliser et de quantifier ce phénomène morphogénique. C’est ce que l’équipe de Su a fait afin de créer le matériau à structure ramifiée.

 

Conception du matériau bio-inspiré de la loi de Murray

Depuis la découverte de la loi de Murray, il n y’a jamais eu de recherches approfondies explorant ces principes dans la conception de matériaux innovants, de réacteurs ou de procédés industriels dans lesquels l’optimisation des transferts des fluides est recherchée. Les chercheurs ont créé de fait le premier matériau au monde ayant une structure stratifiée selon la loi de Murray. Il est fabriqué par un processus d’autoassemblage de nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO) comme éléments de base, au moyen d’un procédé d’évaporation qui forme couche par couche (Layer-by-Layer) les strates poreuses du matériau. Pendant la fabrication, les particules forment des pores de plus en plus gros en raison de l’évaporation du solvant, jusqu’à atteindre le niveau supérieur du réseau interconnecté.

 

L’équipe a fabriqué avec succès ces structures poreuses avec les rapports de diamètre précis requis pour obéir à la loi de Murray, permettant le transfert efficace de l’énergie et de la matière dans le réseau de pores multiniveaux. Les chercheurs ont défini leurs structures grâce à la microscopie électronique à balayage (SEM), la porosimétrie au mercure, les mesures d’adsorption d’argon, la diffusion de rayons X aux petits angles et des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

 

Ils ont pu prouver, en outre, trois applications particulières où ce type de matériau sera performant à savoir : la photocatalyse, la détection de gaz et les électrodes de batterie Li-ion.

La recherche a été menée par une équipe internationale comprenant des scientifiques de l’Wuhan University of Technology en Chine, de l’Université de Namur en Belgique et de l’Université de Cambridge. Leur étude s’intitule « Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity ». Elle a été publiée dans le journal Nature Communications le 6 April 2017.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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