02/02/2012 - La force des tissus d'araignée dépend de leur conception en plus du matériau

Menéame

Bien que les chercheurs aient depuis longtemps appris l’incroyable force de la toile d’araignée, la robustesse des petits filaments ne peut expliquer à elle seule comment elle survit aux gouttes de pluie et aux vents qui dépassent la catégorie d’ouragan. Aujourd'hui, une étude combinant les observations expérimentales des tissus d’araignée avec des simulations complexes par ordinateur a montré que la durabilité du tissu dépend non seulement de la force de soie, mais aussi de la manière dont sa conception compense les dommages.

Dans l’étude, publiée dans la revue Nature, les chercheurs de l’Institut de Technologie du Massachusetts (MIT) aux États-Unis, et le Polytechnic di Torino, en Italie, montrent comment la conception du tissu d’araignée fait face à la tension et aux dommages.

"Plusieurs groupes de recherche ont étudié la structure hiérarchique complexe du tissu d’araignée, et sa force incroyable, extensibilité et résistance," explique Markus Buehler, professeur d’ingénierie civile et environnementale au MIT, "mais, si nous comprenons le comportement particulier de la soie à nanoéchelle, nous avons peu d’informations sur la façon dont la structure moléculaire de la soie améliore la performance du tissu."

Les tissus d’araignée situés dans les jardins et les garages sont faits de multiples types de soie, mais la de soie et la soie de chalutage sont les plus pertinentes pour l’intégrité du tissu. La soie de soie de soie est élastique, humide et collante, et pousse en spirale depuis le centre du réseau, sa fonction principale est de capturer les proies. D’autre part, la soie de chalutage est dure et sèche, et sert à sécuriser les fils qui irradient dehors, du centre du réseau, en fournissant le support structurel, cette soie est cruciale pour le comportement mécanique du web.

Certains des travaux précédents Buehler ont montré que la soie de chalutage est composée d’un ensemble de protéines avec une structure moléculaire unique qui lui donne force et flexibilité. "Malgré la résistance et la dureté de la soie, les avantages de la soie à l’intérieur d’un filet, au-delà de ces mesures, étaient inconnus, ajoute M. Buehler, est plus fort que l’acier et plus résistant que le Kevlar.

Les araignées communes étudiées dans la recherche ont tissé des filets suivant des modèles en spirale sur l’échafaudage de filaments; la construction de chaque réseau nécessite une énergie que l’araignée ne peut pas se permettre de dépenser souvent, de sorte que leur durabilité est essentielle pour la survie de l’arachnide. Grâce à une série de modèles informatiques créés pour combiner les expériences de laboratoire avec les tissus d’araignée, les chercheurs ont pu séparer les facteurs qui aident le réseau à supporter les menaces naturelles localisées (comme une branche qui tombe sur un filaments) ou distribuées (comme les vents forts).

" Pour nos modèles, nous utilisons un cadre de dynamique moléculaire dans lequel nous développons le comportement moléculaire des fils de soie à l’échelle macroscopique; cela nous a permis d’étudier non seulement les différents cas de chargement sur le réseau, mais aussi de localiser et de visualiser la façon dont le réseau se casse dans des conditions de charge extrême ," explique Anna Tarakanova, qui a développé les modèles informatiques avec Steven Cranford, tous deux étudiants de troisième cycle dans le laboratoire de Buehler.

"A travers la modélisation par ordinateur," ajoute Cranford, "nous avons été en mesure de créer efficacement des tissus d’araignée synthétiques construits à partir de soies virtuelles semblables à des matériaux élastiques linéaires (comme la céramique) et élastiques plastiques (qui se comportent comme de nombreux métaux). Avec ces modèles, nous avons pu comparer les performances du réseau de modèle et celles observées dans les réseaux de soie naturelle. En outre, nous avons pu analyser le tissu en termes d’énergie, et étudier les détails de la tension."

L’étude a montré que, comme on pouvait s’y attendre, lorsque n’importe quelle partie d’un réseau est perturbée, tout le réseau réagit - c’est cette sensibilité qui alerte l’araignée que l’insecte est coincé. Cependant, les filaments radiaux et spirales jouent différents rôles dans l’atténuation des mouvements, et lorsque les tensions sont particulièrement dures, ils sont sacrifiés pour que tout le réseau puisse survivre.

"Le concept de défaillance sélective et localisée des tissus d’araignée est intéressant, car c’est un point de départ différent des principes structurels qui semblent entrer en jeu dans de nombreux matériaux biologiques et leurs composants," ajoute Dennis Carter, qui a aidé à financer l’étude. En particulier, lorsqu'un filaments radial sur un réseau est accroché, le web est déformé plus que lorsqu'il arrive à un filaments spirale, relativement plus flexible.

D’après les conclusions des chercheurs, le tissu d’araignée est ressenti lorsque les filaments sont perturbés par une force extérieure, mais ensuite, le réseau récupère sa stabilité - même dans les simulations avec de grandes forces, comme les vents ouragans.
 

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