Pourquoi la soie d’araignée est-elle plus résistante que l’acier malgré sa grande fragilité ?

La soie d’araignée est connue depuis longtemps comme le matériau naturel le plus incroyablement durable. Il existe même des espèces d'araignées qui produisent de la soie cinq fois plus résistante que l'acier, comme l'araignée brune Loxosceles reclusa. Mais nous devons également nous demander pourquoi la soie d’araignée semble si fragile mais possède une si grande résistance. C'est aussi une question qui donne du fil à retordre aux scientifiques, et ils ont récemment trouvé la réponse.

La soie d’araignée est très résistante, même plus résistante que le fil d’acier.

La soie d'araignée a une structure unique

La soie d’araignée est une fibre protéique que les araignées produisent et filent. Ils utilisent la soie pour fabriquer des toiles afin d'attraper des proies ou pour protéger leurs œufs et leurs bébés araignées. La structure solide de ces fils de soie permet aux araignées de capturer des proies plusieurs fois plus grandes qu’elles.

Récemment, des chercheurs de la Faculté des sciences appliquées du College of William and Mary (États-Unis) ont utilisé la microscopie à force atomique pour observer la microstructure des fibres de soie que les araignées recluses brunes créent pour protéger leurs œufs et attraper leurs proies. Ils ont découvert que chaque brin de soie d’araignée, plus fin qu’un cheveu humain, est en réalité composé de milliers de nanofibres différentes, d’un diamètre de seulement 20 nm et d’une longueur d’environ 1 µm.

Ces nanofibres peuvent sembler courtes, mais elles peuvent s’étirer jusqu’à plus de 50 fois leur taille d’origine. C'est cette structure qui rend la soie d'araignée très résistante et solide, avec une résistance et une durabilité jusqu'à 5 fois supérieures à celles d'une barre d'acier de même taille.

La soie d’araignée peut s’étirer jusqu’à 50 fois sa taille d’origine.

Auparavant, des scientifiques du monde entier avaient affirmé que la soie d'araignée était fabriquée à partir de nanofibres, mais il n'y avait aucune preuve solide jusqu'à ce que cette découverte soit publiée dans la revue scientifique ACS Macro Letters (USA).

La raison est que la soie de l'araignée recluse brune est composée de nanofibres disposées à plat, et non cylindriques comme la plupart des autres araignées. Cela permet aux scientifiques de les observer plus facilement à l’aide de microscopes à force atomique.

Ce résultat s’ajoute aux recherches menées par l’équipe en 2017, démontrant comment les araignées recluses brunes renforcent leurs fils de soie à l’aide d’une technique de bouclage spéciale. Ressemblant à une minuscule machine à coudre, l'araignée recluse brune tisse environ 20 nano-fils par millimètre de soie qu'elle file pour renforcer le fil, l'empêchant de se casser.

Un fil de soie d'araignée est « sacrifié » pour maintenir la structure globale.

Plusieurs experts en mécanique moléculaire ont examiné les toiles de différentes espèces d'araignées, notamment l'araignée de jardin européenne Araneus diadematus et l'araignée tisseuse de toiles Nephila clavipes. En étudiant la soie au niveau moléculaire, ils ont découvert qu’ils pouvaient expliquer la résistance des toiles d’araignée.

Le Dr Buehler explique que des brins individuels peuvent être « sacrifiés » pour maintenir la structure globale. « Lorsqu'un fil de soie est tiré, sa structure moléculaire s'étire à mesure que la force augmente, étirant le fil », a-t-il déclaré.

La soie d’araignée ne se brise que lorsqu’elle veut conserver sa structure globale.

Ce changement se déroule en quatre étapes : dans la première étape, tout le fil de soie est étiré ; S'ensuit une phase de relaxation où les protéines se « déplient ». Dans la troisième étape, la soie subit une phase rigide qui absorbe la plus grande force d’impact. L'étape finale avant la rupture du filament de soie est comparée par Buehler à l'arrachement d'un morceau de ruban adhésif, nécessitant également une force importante pour briser le filament car les protéines sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène collantes.

« La résistance d’une toile d’araignée n’est pas seulement due à la résistance du fil de soie, mais aussi à la façon dont ses propriétés mécaniques changent lorsqu’on le tire », a déclaré le Dr Buehler.

La soie d'araignée a une structure unique

Un fil de soie d'araignée est « sacrifié » pour maintenir la structure globale.

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