Les matériaux qui nous entourent sont déterminés par les molécules d’eau

Pendant des décennies, les domaines de la physique et de la chimie ont soutenu que les atomes et les molécules qui composent le monde naturel déterminent la nature de la matière solide. Les cristaux de sel tirent leur qualité cristalline de la liaison ionique entre les ions sodium et chlorure, les métaux comme le fer ou le cuivre tirent leur force des liaisons métalliques entre les atomes de fer ou de cuivre, et le caoutchouc tire son extensibilité des liaisons élastiques dans les polymères qui composent le caoutchouc . Le même principe s’applique aux matériaux tels que les champignons, les bactéries et le bois.

Ou alors l’histoire va.

Un nouvel article publié aujourd’hui dans Nature renverse ce paradigme, affirmant que la nature de nombreux matériaux biologiques est en fait créée par l’eau qui les imprègne. L’eau produit un solide et continue de caractériser ce solide, tout en conservant ses propriétés liquides. Dans leur article, les auteurs regroupent ces matériaux et d’autres dans une nouvelle classe de matière qu’ils appellent les « solides d’hydratation », qui, selon eux, « acquièrent leur rigidité structurelle, la marque de l’état solide, du liquide qui imprègne ses pores ». Une nouvelle compréhension de la matière biologique pourrait aider à répondre aux questions qui tourmentent les scientifiques depuis des années.

« Je pense que c’est un moment vraiment spécial pour la science », a déclaré Ozgur Şahin, professeur de sciences biologiques et de physique et l’un des auteurs de l’article. « Cela unit quelque chose d’incroyablement divers et complexe avec une explication simple. C’est une énorme surprise, un délice intellectuel. »

Stephen G. Harrelson, qui a récemment terminé ses études de doctorat au département de physique de Columbia et auteur de l’étude, a utilisé la métaphore d’un bâtiment pour décrire la découverte de l’équipe : « Si vous pensez aux matériaux biologiques comme un gratte-ciel, le bâtiment moléculaire les blocs sont les cadres en acier qui les maintiennent ensemble, et l’eau entre les blocs de construction moléculaires. « C’est l’air à l’intérieur des cadres en acier. Nous avons découvert que certains gratte-ciel ne sont pas soutenus par leurs cadres en acier, mais par l’air à l’intérieur de ces cadres. « 

Shaheen a ajouté : « Cette idée peut sembler difficile à croire, mais elle résout des mystères et aide à prédire la présence de phénomènes intéressants dans les matériaux. »

Nous savons depuis longtemps que les matériaux biologiques absorbent l’humidité ambiante. Mais de nouvelles recherches en Colombie montrent que les eaux environnantes sont plus importantes pour la nature des matériaux naturels tels que les pommes de pin, les champignons et d’autres plantes et arbres qu’on ne le savait auparavant.

Lorsque l’eau est sous sa forme liquide, ses molécules établissent un équilibre délicat entre ordre et désordre. Mais lorsque les molécules qui composent les matériaux biologiques se combinent avec l’eau, elles font pencher la balance du côté du système : l’eau veut retrouver son état d’origine. En conséquence, les molécules d’eau repoussent les molécules de matière biologique. Cette force motrice, appelée force de réhydratation, a été identifiée dans les années 1970, mais son effet sur la matière biologique était considéré comme limité. L’argument de ce nouvel article selon lequel la force de l’eau est ce qui détermine presque toute la nature de la matière biologique, y compris sa douceur ou sa dureté, est donc surprenant.

Nous savons depuis longtemps que les matériaux biologiques absorbent l’humidité ambiante. Pensez, par exemple, à une porte en bois qui se dilate pendant une période de pluie. Cependant, cette recherche montre que l’eau environnante est beaucoup plus importante pour les propriétés du bois, des champignons, des plantes et d’autres matériaux naturels que nous ne le savions auparavant.

L’équipe a découvert que mettre l’eau au premier plan leur permettait de décrire les propriétés affichées par des matériaux organiques familiers avec une arithmétique très simple. Les modèles précédents sur la façon dont l’eau interagit avec la matière organique nécessitaient des simulations informatiques avancées pour prédire les propriétés du matériau. La simplicité des formules trouvées par l’équipe peut prédire ces propriétés indiquant qu’elles sont présentes dans quelque chose.

Pour prendre un exemple, l’équipe a découvert que l’équation simple E = Al/ décrit avec précision comment l’élasticité d’un matériau change en fonction de facteurs tels que l’humidité, la température et la taille des particules. (E dans cette équation désigne l’élasticité du matériau ; A est un facteur dépendant de la température et de l’humidité de l’environnement ; l est la taille approximative des particules biologiques et est la distance à laquelle les forces d’hydratation perdent leur force.)

« Plus nous travaillons sur ce projet, plus les réponses deviennent simples », a déclaré Harrelson, ajoutant que l’expérience est « très rare en science ».

Les nouvelles découvertes sont issues des recherches en cours du professeur Shaheen sur le comportement étrange des germes et des cellules bactériennes dormantes. Pendant des années, Shaheen et ses étudiants ont étudié les microbes pour comprendre pourquoi ils se dilatent fortement lorsqu’on leur ajoute de l’eau et se contractent lorsqu’on en retire de l’eau. (Il y a plusieurs années, Shaheen et ses collègues ont obtenu une couverture médiatique pour avoir exploité cette capacité à créer de minuscules engins ressemblant à des moteurs alimentés par des spores.)

Vers 2012, Shaheen a décidé de prendre du recul et de se demander pourquoi les spores se comportent comme elles le font. Il a été rejoint par les chercheurs Michael S. DeLay et Xi Chen, les auteurs du nouvel article, qui étaient alors membres de son laboratoire. Leurs expériences n’ont pas fourni de solution au comportement mystérieux des germes. « Nous nous sommes retrouvés avec plus d’énigmes qu’au début », se souvient Shaheen. Ils étaient coincés, mais les énigmes auxquelles ils étaient confrontés laissaient entendre qu’il y avait quelque chose qui valait la peine d’être poursuivi.

Après des années de réflexion sur les explications possibles, il est apparu à Shaheen que les énigmes auxquelles l’équipe est continuellement confrontée pourraient être expliquées si la force d’hydratation contrôle la façon dont l’eau se déplace dans les spores.

L’équipe a dû mener d’autres expériences pour tester l’idée. En 2018, Harrelson, maintenant ingénieur logiciel dans la société d’analyse de données Palantir, a rejoint le projet.

« Lorsque nous avons abordé le projet pour la première fois, cela semblait incroyablement compliqué. Nous essayions d’expliquer plusieurs effets différents, chacun avec sa propre formule insatisfaisante. Une fois que nous avons commencé à utiliser les pouvoirs hydratants, chacune des anciennes formules pouvait être supprimée. pouvoirs étaient laissés, nous avons senti que nos pieds touchaient enfin le sol. C’était incroyable et tellement relaxant; les choses ont du sens », a-t-il déclaré.

Les résultats de ces expériences ont conduit l’équipe et ses collaborateurs à cet article. Outre Harrellson, DeLay, Chen et Sahin, les autres auteurs de l’article sont Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Soixante. Adam Drex de l’Université Loyola de Chicago, qui a également contribué à la recherche, est décédé avant la fin des travaux. La recherche a été financée par le Bureau des sciences fondamentales et des sciences de l’énergie du Département américain de l’énergie ; par l’Office of Naval Research. des instituts nationaux de la santé ; et par le biais du programme de bourses David et Lucille Packard.

Les conclusions de l’article s’appliquent à de vastes étendues du monde qui nous entoure : les biomatériaux hygroscopiques, c’est-à-dire les matériaux biologiques qui permettent à l’eau d’entrer et de sortir, représentent potentiellement entre 50 % et 90 % du monde vivant qui nous entoure, y compris tous les le bois, mais aussi d’autres matériaux familiers tels que le bambou, le coton, les pommes de pin, la laine, les cheveux, les ongles, le pollen des plantes, la peau extérieure des animaux et les spores bactériennes et fongiques qui aident ces organismes à survivre et à se reproduire.

Le terme inventé dans l’article, « solides hydratés », s’applique à tout matériau naturel qui réagit à l’humidité ambiante qui l’entoure. En utilisant les équations déterminées par l’équipe, eux et d’autres chercheurs peuvent désormais prédire les propriétés mécaniques des matériaux à partir des principes de base de la physique. Jusqu’à présent, c’était principalement le cas des gaz, grâce à la célèbre équation générale des gaz, que les scientifiques connaissent depuis le XIXe siècle.

« Lorsque nous marchons dans la forêt, nous pensons aux arbres et aux plantes qui nous entourent comme des solides typiques. Cette recherche montre que nous devrions vraiment considérer ces arbres et ces plantes comme des tours d’eau retenant les sucres et les protéines en place », a déclaré Shaheen. C’est vraiment un monde aquatique.

référence: Harrellson SG, DeLay MS, Chen X, et al. solides aqueux. nature. Mis en ligne le 7 juin 2023 : 1-6. est ce que je:10.1038 / s41586-023-06144-y

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