Nous savons depuis longtemps que les matériaux biologiques absorbent l’humidité ambiante. Mais de nouvelles recherches menées à Columbia montrent que l’eau ambiante joue un rôle beaucoup plus important qu’on ne le pensait dans le caractère des matériaux naturels tels que les pommes de pin, les champignons et d’autres plantes et arbres.
Une étude récente soutient que des matériaux comme le bois, les bactéries et les champignons appartiennent à une classe de matière nouvellement identifiée, les « solides d’hydratation ».
Depuis de nombreuses années, les domaines de la physique et de la chimie sont convaincus que les propriétés des matériaux solides sont fondamentalement déterminées par les atomes et les molécules qui les composent. Par exemple, la nature cristalline du sel est attribuée à la liaison ionique formée entre les ions sodium et chlorure. De même, les métaux tels que le fer ou le cuivre doivent leur robustesse aux liaisons métalliques entre leurs atomes respectifs, et l’élasticité des caoutchoucs provient des liaisons flexibles des polymères qui les forment. Ce principe s’applique également à des substances telles que les champignons, les bactéries et le bois.
C’est du moins ce que l’on raconte.
Un nouvel article récemment publié dans Nature bouleverse ce paradigme et affirme que le caractère de nombreux matériaux biologiques est en fait créé par l’eau qui imprègne ces matériaux. L’eau donne naissance à un solide et en définit les propriétés, tout en conservant ses caractéristiques liquides.
Dans leur article, les auteurs regroupent ces matériaux et d’autres dans une nouvelle classe de matière qu’ils appellent « solides d’hydratation », qui, selon eux, « acquièrent leur rigidité structurelle, la caractéristique déterminante de l’état solide, grâce au fluide qui imprègne leurs pores ». Cette nouvelle compréhension de la matière biologique peut aider à répondre à des questions qui préoccupent les scientifiques depuis des années.
« Je pense qu’il s’agit d’un moment vraiment spécial pour la science », a déclaré Ozgur Sahin, professeur de sciences biologiques et de physique et l’un des auteurs de l’article. « Il s’agit d’unifier quelque chose d’incroyablement divers et complexe avec une explication simple. C’est une grande surprise, un plaisir intellectuel ».
Les nouvelles découvertes sont le fruit des recherches menées par le professeur Sahin sur le comportement étrange des spores, des cellules bactériennes dormantes, que l’on voit ici. Crédit : Xi Chen
Steven G. Harrellson, qui a récemment terminé ses études de doctorat au département de physique de Columbia et qui est l’un des auteurs de l’étude, a utilisé la métaphore d’un bâtiment pour décrire la découverte de l’équipe : « Si vous considérez les matériaux biologiques comme un gratte-ciel, les blocs de construction moléculaires sont les cadres en acier qui les soutiennent, et l’eau entre les blocs de construction moléculaires est l’air à l’intérieur des cadres en acier. Nous avons découvert que certains gratte-ciel ne sont pas soutenus par leur armature en acier, mais par l’air qui se trouve à l’intérieur de cette armature ».
« Cette idée peut sembler difficile à croire, mais elle permet de résoudre des mystères et de prédire l’existence de phénomènes passionnants dans les matériaux », a ajouté M. Sahin.
Lorsque l’eau est à l’état liquide, ses molécules trouvent un équilibre subtil entre l’ordre et le désordre. Mais lorsque les molécules qui forment les matériaux biologiques se combinent à l’eau, elles font pencher la balance du côté de l’ordre : L’eau veut revenir à son état d’origine. Par conséquent, les molécules d’eau repoussent les molécules de la matière biologique. Cette force de poussée, appelée force d’hydratation, a été identifiée dans les années 1970, mais on pensait que son impact sur la matière biologique était limité. L’argument de ce nouvel article selon lequel la force d’hydratation est ce qui définit presque entièrement le caractère de la matière biologique, y compris sa souplesse ou sa dureté, est donc une surprise.
Nous savons depuis longtemps que les matériaux biologiques absorbent l’humidité ambiante. Pensez, par exemple, à une porte en bois qui se dilate en cas d’humidité. Cette recherche montre cependant que l’eau ambiante joue un rôle beaucoup plus important dans le caractère du bois, des champignons, des plantes et d’autres matériaux naturels que nous ne le savions jusqu’à présent.
L’équipe a découvert qu’en mettant l’eau au premier plan, elle pouvait décrire les caractéristiques des matériaux organiques familiers à l’aide de mathématiques très simples. Les modèles précédents d’interaction entre l’eau et la matière organique nécessitaient des simulations informatiques avancées pour prédire les propriétés de la matière. La simplicité des formules que l’équipe a trouvées pour prédire ces propriétés suggère qu’elle est sur la bonne voie.
L’île Spirit, dans le parc national de Jasper, au Canada. « Lorsque nous nous promenons dans les bois, nous considérons les arbres et les plantes qui nous entourent comme des solides typiques », a déclaré le professeur Ozgur Sahin. « Cette étude montre que nous devrions plutôt considérer ces arbres et ces plantes comme des tours d’eau qui maintiennent les sucres et les protéines en place ». Crédit photo : Terry Ott
Pour prendre un exemple, l’équipe a découvert que l’équation simple E=Al/λ décrit parfaitement la manière dont l’élasticité d’un matériau change en fonction de facteurs tels que l’humidité, la température et la taille des molécules. (Dans cette équation, E désigne l’élasticité d’un matériau ; A est un facteur qui dépend de la température et de l’humidité de l’environnement ; l est la taille approximative des molécules biologiques et λ est la distance sur laquelle les forces d’hydratation perdent leur force).
« Plus nous travaillions sur ce projet, plus les réponses devenaient simples », a déclaré M. Harrellson, ajoutant que cette expérience « est très rare en science ».
Les nouvelles découvertes sont issues des recherches en cours du professeur Sahin sur le comportement étrange des spores, des cellules bactériennes dormantes. Depuis des années, Sahin et ses étudiants étudient les spores pour comprendre pourquoi elles se dilatent fortement lorsqu’on leur ajoute de l’eau et se contractent lorsqu’on leur en retire. (Il y a plusieurs années, Sahin et ses collègues ont fait l’objet d’une couverture médiatique pour avoir exploité cette capacité afin de créer de petits engins semblables à des moteurs alimentés par des spores).
Vers 2012, Sahin 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, auteurs du nouvel article, qui étaient alors membres de son laboratoire. Leurs expériences n’ont pas permis de résoudre le comportement mystérieux des spores. « Nous nous sommes retrouvés avec plus de mystères que lorsque nous avons commencé », se souvient Sahin. Ils étaient coincés, mais les mystères qu’ils rencontraient laissaient présager qu’il y avait quelque chose qui valait la peine d’être recherché.
Après des années de réflexion sur les explications possibles, Sahin s’est dit que les mystères que l’équipe rencontrait continuellement pouvaient s’expliquer si la force d’hydratation régissait la façon dont l’eau se déplaçait dans les spores.
L’équipe a dû réaliser d’autres expériences pour tester cette idée. En 2018, Harrellson, qui est aujourd’hui ingénieur logiciel à la société d’analyse de données Palantir, a rejoint le projet.
« Lorsque nous nous sommes initialement attaqués au projet, il 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 forces d’hydratation, toutes les anciennes formules ont pu être éliminées. Lorsqu’il ne restait plus que les forces d’hydratation, nous avions l’impression que nos pieds touchaient enfin le sol. C’était incroyable et un énorme soulagement ; les choses avaient un sens », a-t-il déclaré.
Les résultats de ces expériences ont conduit l’équipe et ses collaborateurs à la rédaction de cet article. Outre Harrellson, DeLay, Chen et Sahin, les autres auteurs de l’article sont Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin et Howard A. Stone. Adam Driks de l’Université Loyola de Chicago, qui a également contribué à la recherche, est décédé avant l’achèvement du travail.
Les conclusions de l’article s’appliquent à une grande partie du monde qui nous entoure : Les matériaux biologiques hygroscopiques, c’est-à-dire ceux qui laissent entrer et sortir l’eau, constituent potentiellement entre 50 et 90 % du monde vivant qui nous entoure, y compris tout le bois de la planète, mais aussi d’autres matériaux familiers comme le bambou, le coton, les pommes de pin, la laine, les cheveux, les ongles, les grains de pollen des plantes, la peau extérieure des animaux et les spores bactériennes et fongiques qui permettent à ces organismes de survivre et de se reproduire.
Le terme inventé dans l’article, « solides d’hydratation », s’applique à tout matériau naturel qui réagit à l’humidité ambiante qui l’entoure. Grâce aux équations identifiées par l’équipe, celle-ci et d’autres chercheurs peuvent désormais prédire les propriétés mécaniques des matériaux à partir de principes physiques de base. Jusqu’à présent, cela était surtout vrai pour les gaz, grâce à l’équation générale des gaz bien connue des scientifiques depuis le XIXe siècle.
« Lorsque nous nous promenons dans les bois, nous considérons les arbres et les plantes qui nous entourent comme des solides typiques. Cette recherche montre que nous devrions en fait considérer ces arbres et ces plantes comme des tours d’eau qui maintiennent les sucres et les protéines en place », a déclaré M. Sahin : « C’est vraiment le monde de l’eau.
Référence : « Hydration solids » par Steven G. Harrellson, Michael S. DeLay, Xi Chen, Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin, Howard A. Stone et Ozgur Sahin, 7 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06144-y
L’étude a été financée par le ministère américain de l’énergie, l’Office of Naval Research, les National Institutes of Health et la David and Lucile Packard Foundation.