Toiles d'araignées

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Découvrez comment une araignée tisse sa toile

C’est tout simplement bluffant. Cliquez sur le lien ci-dessous, et vous assisterez à l’une des plus belles animations que j’aie jamais eu l’occasion de voir. Le plus intrigant, c’est de se dire que dans la petite cervelle de cet animal, se trouvent cachés des mécanismes lui permettant de mesurer un pas, comprendre si elle doit tisser de la toile ou avaler les morceaux inutiles, tourner à gauche ou à droite, etc. De quoi vous réconcilier avec la Toile!
Source: http://www.hervekabla.com/wordpress/2009/11/decouvrez-comment-une-araignee-tisse-sa-toile/

http://www.espace-sciences.org/science/images/images-maj/Perso/spiderweb/index_spider.html

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La résistance des toiles d'araignées ne tient pas qu'à leurs fils

La résistance des toiles d'araignées ne tient pas seulement à celle de leurs fils de soie : en cas de choc, leur architecture permet d'en sacrifier une zone limitée pour préserver l'essentiel, une conception dont pourraient s'inspirer des ingénieurs, selon une étude publiée mercredi.

"Cela permet à l'araignée de réparer plutôt que de reconstruire complètement", soulignent les chercheurs dans la revue scientifique britannique Nature. Car construire une toile demande une énergie que l'araignée ne peut se permettre d'y consacrer souvent.

La force et la résistance de la soie avaient déjà été vantées, mais ses autres avantages au sein d'une toile d'araignée "restaient inconnus", relève Markus Buehler (Massachussets Institute of Technology, Etats-Unis) qui a dirigé ces recherches.

Associant observations sur le terrain et simulations sur ordinateur, son équipe a analysé la structure de la toile d'araignée et sa réaction à différents stress, comme la chute d'une brindille ou une tempête.

Par rapport à leur poids, les fils d'araignées "sont plus solides que l'acier et plus résistants que le Kevlar", rappelle le Pr Buehler dans un communiqué du MIT.

Les toiles d'araignées que l'on trouve dans les jardins et les garages sont faites de plusieurs types de soie, dont deux sont importants pour l'intégrité de cette construction : les fils visqueux et élastiques qui spiralent du centre vers l'extérieur de la toile et servent à capturer la proie, et les câbles en soie dure et sèche qui rayonnent depuis le coeur de la toile.

La soie de ces câbles, dotée d'une structure moléculaire qui lui confère à la fois solidité et flexibilité, joue un rôle crucial dans les propriétés mécaniques de l'ensemble de la toile.

En cas de perturbation importante, toute la toile réagit. Mais l'impact est atténué différemment par chaque type de fil. Lorsqu'un câble radial est touché, la toile se déforme davantage que lorsqu'il s'agit d'un fil de la spirale.

Quel que soit le type de fil qui rompt, victime d'un grand stress mécanique, c'est le seul fil qui rompt, le reste de la toile est préservé, selon les chercheurs.

La nature des protéines de la soie renforce cet effet, en alternant phases où elle joue de son élasticité, durcit et absorbe le choc, avant que les frottements entraînent la rupture.

Dès que le fil est rompu, la toile retrouve sa stabilité, même lors de simulations impliquant des vents de la force d'un ouragan.

Les chercheurs suggèrent aux ingénieurs de s'inspirer de ce qui fait la résistance des toiles d'araignées, afin de limiter les dégâts en cas de contraintes extrêmes.

Les innovations de la nature ont déjà servi de modèle pour créer des fermetures Velcro imitant la fleur de Bardane ou des adhésifs puissants en s'inspirant des pattes du Gecko.
Source: http://www.20minutes.fr

Article:

http://www.nature.com/nature/journal/v482/n7383/full/nature10739.html

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Une petite araignée tisse sa toile avec de longs, longs fils...

Les chercheurs ont souvent démontré que la soie des araignées, indépendamment de l'espèce, est dotée d'excellentes propriétés mécaniques. Toutefois, les propriétés de la soie des tiges d'oeufs de l'araignée troglophile Meta menardi n'avaient jamais été étudiées. Ainsi, une équipe de chercheurs d'Italie et des États-Unis a mis sous les feux des projecteurs l'araignée européenne de l'année 2012 de la société européenne d'arachnologie. L'étude a récemment été publiée dans la revue PLoS ONE.

Les scientifiques, sous la direction du laboratoire de bionanomécanique du Politecnico di Torino ont prélevé des fils à soie de plusieurs grottes d'Italie. En utilisant la microscopie électronique à balayage (FESEM), l'équipe a produit des images montrant que ces amas de soie étaient composés de longs fils, atteignant une longueur 7,5 fois plus longue que la longueur initiale de leurs fibres. Les araignées européennes troglophiles produisent de la soie pour fabriquer des sacs d'oeufs dans le but de protéger leurs petits. Les chercheurs ont également utilisé une machine de test de traction pour tenter d'évaluer le point de rupture des fils de soie.

La majorité des espèces sécrètent sept ou huit types de soie selon les besoins. Par exemple, les fils de soie d'appui permettent aux araignées de s'accrocher aux surfaces, tandis qu'un autre type de soie est utilisé pour construire la toile dans laquelle l'araignée emprisonne ses proies.

La femelle araignée troglophile produit des sacs d'oeufs en forme de goutte que l'on peut retrouver aux emplacements sombres et humides des grottes. Ces sacs pendent en petits amas formés de soie tubuliforme. Ces fibres sont revêtues d'une substance collante qui les tient en amas.

Les données montrent que les fibres des tiges de sacs d'oeufs peuvent se dérouler sur plusieurs longueurs.

«Les formes de ces courbes soumises à la pression ont la même forme que les amas de nanotubes de carbone», commentent les auteurs. «Ces courbes présentent une série de boucles qui indiquent les accros internes lorsqu'un amas est poussé dans une direction parallèle à son axe. Comme nous le confirment nos données, il s'y trouve également une série de boucles qui indiquent que ces accrocs au niveau des amas, une fois complètement chargé, proviennent de la fracture des petits sacs individuels. Bien que nos courbes soient similaires aux amas de nanotubes de carbone, elles sont complètement différentes de celles que l'on retrouve dans les amas de soie de fils d'appui et dans la soie des tiges de sacs d'oeufs.

En comparant nos résultats aux leurs, nous voyons que leur tension et robustesse sont plus fortes. De façon étonnante, les pressions que subissent nos fibres sont plus élevées: certaines tiges ont été étirées à plus de 200%, atteignant même des valeurs de 721 à 751%, ce qui n'a jamais été vu sur un ensemble de fils de soie d'araignée. Ces élongations indiquent un mécanisme d'enroulement de l'amas.»

Le professeur Nicola Pugno du laboratoire italien bénéficie d'une subvention de démarrage du CER d'une valeur d'un million d'euros au titre du septième programme-cadre (7e PC). Le projet BIHSNAM («Bio-inspired hierarchical super nanomaterials») a été lancé en début d'année et soutient la recherche associée à ces résultats.
Source: http://cordis.europa.eu

Article:

http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0030500

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Des cordes de violons tissées en toiles d'araignées

Un chercheur japonais a réussi à tisser des cordes de violon avec des soies produites par 300 araignées. Le son produit est «doux et profond», d'après l'inventeur.

Le professeur Shigeyoshi Osaki de l'université de médecine de Nara dans le sud du Japon n'est peut-être pas encore un très bon violoniste, mais c'est en tout cas un virtuose pour extraire les fils de toiles d'araignées et en faire des usages innovants. Après plusieurs années d'expérimentation, et de nombreux échecs, il a fini par réussir à filer des fils assez homogènes et assez résistants pour en faire des cordes de violon. Une première qui ouvre la porte à d'autres utilisation des propriétés exceptionnelles des soies d'araignées.

D'après le chercheur, des analyses spectrales montrent que ces cordes ont un timbre «plus doux et plus profond» que les cordes traditionnelles naturelles ou métalliques.

Il a expliqué sa méthode de production dans une publication à paraître dans la revue Physical Review Letters, rapporte le site BBC News. Les soies d'araignées sont particulièrement recherchées pour leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, à la fois très légères, souples et plus résistantes à la fracture (à diamètre équivalent) que les câbles en acier. Mais tous les essais pour domestiquer les araignées de la même manière que les vers à soie ont échoué, et certains chercheurs se penchent sur la production d'improbables chimères génétiques, comme des chèvres génétiquement modifiées pour produire les protéines des toiles d'araignées dans leur lait.

Apprendre à communiquer avec les araignées

«Cela fait plus de 35 ans que je travaille sur les propriétés des fils d'araignées», explique au Figaro le professeur Shigeyoshi Osaki. La grande difficulté c'est de tirer les soies, car les araignées coupent souvent le fil quand on tire dessus. J'ai donc dû apprendre à communiquer avec elles, à comprendre les habitudes de chacune pour collecter de longs fils de toiles.»

En 2006, il prouve la solidité de ses fibres en s'accrochant dans un hamac retenu par un petit bout de fils d'araignées de 13 cm de long, composé de 190.000 brins individuels. Grâce à la méthode qu'il a mis en place, et avec près de 300 araignées femelles de type Nephila maculata, le scientifique japonais a produit assez de soies pour tresser des cordes de violon.

«J'ai appris à jouer du violon»

Ses premiers essais il y a quelques années furent des échecs. «Les premières cordes que je préparais cassaient trop facilement», avoue-t-il. «Pour produire des fibres avec une forte résistance mécanique, j'ai alors pensé qu'il fallait que je comprenne comment fonctionne une corde de violon. J'ai donc appris à jouer de cet instrument.»

Cet apprentissage musical a porté ses fruits, et Shigeyoshi Osaki a trouvé une technique de tissage avec une torsion très contrôlée qui réduit presque totalement les espaces vides entre les fibres, et donne à l'assemblage une souplesse et une résistance bien supérieure à ce qu'il obtenait auparavant.

Autre avantage, ce tissage plus compact nécessite bien moins de brins que lors de sa petite démonstration en hamac il y a six ans. Il ne faut plus que 3000 à 5000 brins de soie individuels pour une corde de violon. Le scientifique affirme que ces cordes ont une tonalité nouvelles, qui intéressent grandement des violonistes professionnels européens qui veulent les essayer.
Source: http://www.lefigaro.fr/

Article:

http://prl.aps.org/accepted/L/25078Ye0Yef1163de18a8722105e7914a797506ee

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Pourquoi les toiles d’araignées sont-elles si résistantes ?

Ne vous êtes-vous jamais demandé comment de fines toiles d’araignées parvenaient à survivre dans un environnement hostile comme celui de nos forêts ou de nos jardins ? S’il est connu que le fil dont sont faites ces toiles possède des propriétés mécaniques tout à fait exceptionnelles, c’est un autre aspect du secret qui vient d’être levé récemment.

Une publication dans Nature [S. Cranford et al., Nonlinear material behaviour of spider silk yields robust webs, Nature 482 (2012) p72] démontre en quoi la structure géométrique des toiles et les propriétés de déformation des fils se combinent pour conférer cette solidité particulière. Encore un bel exemple que nous offre Dame Nature, et qui pourrait bien inspirer beaucoup de chercheurs en sciences des matériaux.

La rupture en traction : Ça peut paraître une évidence, mais une des raisons pour lesquelles les toiles d’araignées sont si solides, c’est qu’on peut tirer fort sur le fil avant qu’il ne se casse ! Pour quantifier cette propriété, on fait appel à une quantité appelée résistance à la rupture en traction. Elle se calcule en mesurant la force nécessaire pour rompre un fil, et en la divisant par la section du fil (elle s’exprime donc en Pascals, pour plus de détails voir mon billet sur l’ascenseur spatial).

Il se trouve que le fil de toile d’araignée est un des matériaux avec la résistance à la rupture en traction la plus élevée qu’on connaisse, environ 1000 Méga-Pascals (MPa), située quelque part entre l’acier (500 MPa) et le kevlar (3000 MPa). Pour la variété appelée araignée Darwin, découverte en 2009 à Madagascar, cette valeur monte à 1600 MPa, ce qui permet à cette petite araignée de quelques millimètres de construire des toiles géantes pouvant atteindre 3 mètres-carrés et des fils jusqu’à 25 mètres !

On en trouve par exemple au-dessus des cours d’eau malgaches, voyez les images sur le blog http://www.maxisciences.com/mrm_97565_blogallpic.html. L’exceptionnelle résistance à la rupture en traction des fils d’araignées est donc la première raison qui explique la solidité des toiles, mais ça n’est pas la seule ! Et pour comprendre cela, il faut s’intéresser à la manière dont le fil d’araignée se déforme avant de rompre.

Le comportement mécanique des matériaux : Imaginez que l’on prenne un élastique, qu’on en attache une extrémité à un mur, et qu’on tire sur l’autre extrémité avec une certaine force : l’élastique s’allonge. On représente généralement cet allongement en pourcentage : si l’élastique fait initialement 10cm et qu’il s’allonge d’1cm, on a un allongement de 10%, que l’on appelle déformation.

Pour caractériser complètement l’élastique, on regarde quelle force on doit appliquer pour obtenir différents niveaux de déformation. On obtient alors une courbe force/déformation, selon le principe représenté sur l'image n°1 dans la galerie. Tous les matériaux ont un comportement mécanique propre, et cela se traduit par des courbes force/déformation différentes. Avant de s’intéresser au cas du fil d’araignée, voyons tout d’abord quelles sont les grandes familles que l’on peut rencontrer.

Différents types de comportements : Le premier type de comportement qu’on observe généralement sur ces courbes, c’est celui qu’on appelle justement « comportement élastique ». Il se caractérise par le fait que la courbe est une droite : l’allongement est proportionnel à la force. L’autre aspect important du comportement élastique, c’est que la déformation est réversible : si vous arrêtez de tirer sur l’élastique il reprend sa longueur initiale. Le terme « élastique » ne doit pas vous tromper : la plupart des matériaux peuvent avoir un comportement élastique (et pas seulement les élastiques !).

Par exemple si vous tirez sur un fil de métal, il aura un comportement élastique. C’est très difficile à voir à l’œil nu car les déformations sont très faibles, mais on peut effectivement observer qu’elles sont réversibles et proportionnelles à la force qu’on applique. En tout cas au début…car quand on se met à tirer assez fort sur un matériau, même sur un élastique, il finit par ne plus avoir un comportement élastique ! Au-delà d’une certaine force, le matériau se déforme et se ramollit. Ce changement a deux conséquences : la courbe force/allongement s’aplatit un peu (comme sur la figure ci-dessous), mais surtout la déformation devient irréversible (image n°3).

Par exemple si vous tirez fort sur un morceau de sac plastique, il s’étire mais ne reprend pas sa forme initiale quand vous arrêtez de tirer. Ce type de comportement mécanique est d’ailleurs justement appelé «comportement plastique». Là aussi ne vous laissez pas tromper, la plupart des matériaux peuvent présenter un comportement plastique, et pas seulement les plastiques ! Enfin si vous tirez vraiment fort, un matériau finit toujours par casser. C’est le point de rupture qui marque la fin de la courbe, et la valeur de la force à la rupture nous donne la résistance à la rupture en traction dont je parlais au début.

La courbe image n°4 illustre les différents types de comportement pour un même matériau suivant l’intensité de la force et de la déformation : comportement élastique au début, puis plastique, et enfin la rupture. Et le fil d’araignée dans tout ça ? Nous venons de voir les 3 grands phénomènes qui se produisent dans les matériaux usuels quand on tire dessus : comportement élastique, comportement plastique et rupture. Pour le fil d’araignée, c’est différent ! La courbe force/déformation a une forme assez originale, qui est schématisée ci-contre.

Comme vous le voyez, il y a plusieurs parties dans cette courbe : ça commence de manière élastique (c’est une droite), puis si on tire plus fort on observe un ramollissement plastique, la courbe s’aplatit. Jusqu’ici rien de surprenant. Et puis si on continue à tirer, le fil devient soudainement très très rigide, et la courbe remonte abruptement ! Et on finit évidemment par atteindre le point de rupture. Ce qu’il y a de remarquable, c’est la manière dont ce comportement mécanique exotique est relié à la structure microscopique du fil.

Au début, les chaînes de protéines qui le composent s’étirent légèrement mais peuvent reprendre leur forme : c’est le régime élastique. Puis si on tire plus fort, les protéines se déplient de manière irréversible, c’est le régime plastique. Enfin quand les protéines deviennent complètement dépliées, elles sont comme un fil très rigide qui ne se déforme plus, et finit par casser. Pour se représenter ce comportement, on peut prendre l’analogie avec un ressort en métal: au début il est élastique, si vous tirez faiblement dessus il reprend sa forme.

Puis si vous tirez fort il se déforme et se déplie de manière irréversible. Enfin quand vous avez tout déplié, vous n’avez plus qu’un fil métallique qui lui est très rigide. Et il faut tirer vraiment fort dessus pour le casser. Maintenant que nous comprenons comment fonctionne un fil d’araignée, voyons en quoi il explique les surprenantes propriétés des toiles. Des simulations numériques de toiles d’araignées. Pour comprendre en quoi la courbe force/déformation du fil d’araignée peut jouer un rôle dans la solidité des toiles, il faut s’intéresser à la manière dont ces toiles sont construites.

Très souvent, elles sont faites de 2 types de fils : des fils en rayon, et un fil qui fait une spirale du centre vers l’extérieur. La spirale est par exemple très visible sur la photo n°5. Pour faire le lien entre les propriétés du fil et la solidité de la toile, les auteurs du récent papier de Nature ont réalisé des simulations numériques de solidité de toiles, en utilisant comme données d’entrée différents comportements mécaniques : celui du « vrai » fil d’araignée, un comportement purement élastique, et un comportement élastique-plastique.

Un point important c’est que dans les 3 cas, les fils sont considérés avec la même résistance à la rupture en traction : ils cassent tous à la même force, mais ce qui change c’est la manière dont ils se déforment avant de casser. Ces simulations numériques permettent donc vraiment d’isoler en quoi le comportement très original du fil d’araignée est bénéfique pour la solidité de la toile.

La supériorité du fil d’araignée : La figure n°6 résume donc les 3 types de courbes de déformation qui ont été comparées : en rouge la courbe du vrai fil, en bleu un fil purement élastique et en vert un fil élastique-plastique. Tout d’abord les auteurs ont simulé la solidité de toiles réalisées avec ces fils quand on les soumet à une charge globale, comme un vent uniforme. Et là, les 3 cas se valent, et les toiles cassent à des vitesses de vent d’environ 60 m/s, ce qui est déjà très élevé ! (Dans la réalité ce serait surement moins, car à 60 m/s le vent n’est pas uniforme)

En revanche si on soumet la toile à une charge localisée, comme un insecte ou une branche, la toile en fil d’araignée subit en moyenne 6 fois moins de dommages qu’une toile avec un fil « purement élastique » ou « élastique-plastique ». Les auteurs ont notamment montré que le comportement du fil d’araignée permettait une meilleure répartition de la déformation sur la toile, jusqu’à un point où le rayon qui porte la charge entre dans le régime où il se raidit, puis casse : tout se passe comme si ce rayon se sacrifiait pour soulager les autres. Alors qu’avec un comportement élastique ou élastique-plastique, tous les rayons de la toile trinquent de manière plus ou moins équivalente.

L'image n°7, tirée de la publication montre les dommages subit dans 3 simulations : en rouge avec le vrai fil d’araignée, on voit bien qu’un rayon a cédé mais le reste est intact; en bleu le fil élastique pour lequel la spirale est aussi endommagée, et en vert le fil élastique-plastique où la spirale et deux rayons se sont rompus. On voit donc que la solidité globale des toiles d’araignées résulte à la fois de leur géométrie, des propriétés du fil, mais aussi de la manière dont les deux se combinent ! L’homme a encore beaucoup à apprendre de la nature.
Source:http://www.maxisciences.com/toile-d-araign%E9e/pourquoi-les-toiles-d-araignees-sont-elles-si-resistantes_mrm97565.html

Liens:

http://www.maxisciences.com/mrm_97565_blogallpic.html
http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0011234

Article:

http://www.nature.com/nature/journal/v482/n7383/full/nature10739.html

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Un système de refroidissement en toile d'araignée

Les chercheurs de l‘Université d’Iowa ont découvert que la toile de l’araignée nephila clavipes est un meilleur conducteur thermique que le silicium ou l’aluminium. Elle a l’avantage d’être très élastique et très fine (4 µm d’épaisseur) et elle pourrait être utilisée comme système de refroidissement passif. La question est maintenant de savoir comment en produire en masse et l’utiliser dans des systèmes commercialement viables.
Plus efficace que le cuivre

Les recherches ont été en partie financées par l’armée américaine et la fondation nationale des sciences. Les scientifiques ont publié leurs résultats dans la revue Advanced Materials. La découverte est surprenante parce que les matériaux organiques ne sont pas de bons conducteurs généralement. En l’espèce, la toile a une conductivité thermique de 416 watts par mètre Kelvin, contre 401 pour le cuivre. De plus, les propriétés de la toile s’améliorent lorsqu’elle est étirée. Il serait ainsi possible de fabriquer des couches souples conductrices capables d’être intégrées dans des composants ou des vêtements. On peut imaginer l’utilisation de puces flexibles pour aller avec les OLED flexibles de demain.
Source:http://www.presence-pc.com

Lien:

http://www.news.iastate.edu/news/2012/mar/spidersilk

Article:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201104668/full