Written by Joe Ballenger

Hi, je fais partie d’une équipe de la Lego League avec mon école et nous voulons en savoir plus sur les araignées pour notre projet de recherche. Voici quelques questions auxquelles j’espère que vous pourrez nous aider : qu’est-ce qui rend une toile d’araignée si solide et si collante ? Est-elle encore plus solide si elle était plus grande pour retenir une personne ?

Merci de la part de toute mon équipe !

La soie d’araignée est une chose vraiment solide. Un seul brin de soie d’araignée peut instantanément attraper et arrêter un insecte volant des dizaines de milliers de fois son poids, sans se briser. Les scientifiques souhaitent exploiter cette propriété pour en faire des vêtements de tous les jours, des gilets pare-balles et d’autres vêtements de protection. Il y a beaucoup d’intérêt pour savoir comment faire cela, d’un point de vue chimique.

C’est donc une question vraiment intéressante, et la Lego League s’y intéresse certainement du point de vue de la chimie structurelle. Cependant, il y a aussi une composante culturelle à cette question particulière que je trouve intéressante.

Je traîne (jeu de mots) sur des cordes assez souvent, et j’ai récemment rejoint un gymnase qui enseigne un type d’art de la performance appelé soie aérienne. C’est un type d’art de la performance où un danseur se déplace en se suspendant en s’enveloppant dans un tissu solide.

Lorsque j’ai commencé à faire des recherches sur ce sujet, j’ai demandé quel était le tissu utilisé dans ce genre de performance. J’ai été choqué de constater que le tissu utilisé par ces personnes était du nylon, et non de la soie.

Alors, qu’est-ce que la soie, pourquoi est-elle super solide, et pourquoi ne fabrique-t-on pas d’équipement d’escalade avec ?

La première chose à souligner est que la soie d’araignée n’est pas le matériau le plus solide connu de l’homme. La fibre de carbone peut supporter quatre fois la charge de la soie d’araignée, mais elle n’est pas aussi élastique. Dès que la fibre de carbone s’étire, même un peu, elle craque. C’est pour cette raison qu’elle constitue un bon substitut pour les objets qui seraient normalement fabriqués en métal… mais pas pour les fibres utilisées dans les vêtements. L’acier a la même chose… sa résistance à la traction est égale à celle de la soie d’araignée, mais il est beaucoup plus lourd et loin d’être aussi flexible.

Les propriétés que nous apprécions dans la soie d’araignée ne sont pas sa force mais sa ténacité. Bien que nous puissions associer la force et la ténacité à des choses comme des traits de caractère, elles sont très différentes aux yeux des spécialistes des matériaux. Alors que la force est le poids que vous pouvez suspendre à un câble, la ténacité est la force avec laquelle vous pouvez frapper quelque chose sans le casser.

Ce qui nous amène à la soie d’araignée, qui encore une fois, est un peu un sujet compliqué parce que. Il y a environ 7 types différents de soie que les araignées peuvent filer, bien que beaucoup n’aient pas cet arsenal à leur disposition. Ces 7 types sont utilisés à des fins diverses, ont des propriétés complètement différentes, et des compositions chimiques différentes.

Collante, extensible et forte

Une toile d’araignée est composée principalement de trois types de soie : Flagelliforme, agrégat, et dragline. La soie dragline est la plus résistante, et c’est ce que les scientifiques tentent d’imiter lorsqu’ils essaient de fabriquer des vêtements à partir de cette matière.

Qu’est-ce qui rend la soie d’araignée si collante ?

La soie flagelliforme est ce qui capture la proie. Elle est capable de s’étirer et de se déformer, s’étirant près de 30 fois sa longueur, sans se rompre. Son but est d’arrêter la vitesse de l’insecte, le pouvoir d’arrêt réel étant fourni par la soie dragline à laquelle elle est reliée. La soie flagelliforme ne s’accroche pas réellement à l’insecte, cependant. Ce travail est fait par la soie agrégée.

La soie agrégée est similaire à la soie dans sa composition, sauf qu’elle a des sucres collés à la surface. Ces sucres sont couverts de groupes OH, qui sont attirés par des groupes d’atomes qui ont beaucoup d’électrons. Ces attractions individuelles sont faibles, mais quand il y en a beaucoup, elles deviennent très fortes.

Cette astuce est une astuce qui se répète dans tout le règne animal. Les œufs de poisson, par exemple, utilisent des glycoprotéines pour se coller aux objets. L’urée, sécrétée dans l’urine, est également efficace pour créer des liaisons hydrogène. Non seulement elle est utilisée comme colle pour coller du contreplaqué, mais les larves de mouche du ver luisant l’utilisent pour rendre leur soie collante.

La force d’une toile d’araignée dans son ensemble est due à sa capacité à se coller aux proies, ainsi qu’à sa capacité à les ralentir sans se briser.

Pourquoi la soie est-elle si solide ?

La soie de drague est la plus facile à récolter chez les araignées, et c’est aussi la plus résistante. Parce qu’elle est si facile à récolter, c’est la soie que nous connaissons le mieux.

La soie est un prion géant, un type de cristal de protéine. A l’intérieur de la spinette, elle est composée de morceaux de soie qui sont en suspension dans un milieu liquide. Lors de l’extrusion, les molécules se lient et créent un fil géant qui sort des fesses de l’araignée.

La façon dont elles se lient est un sujet de débat, et je ne vais pas m’y attarder ici. Cependant, grâce à la cristallographie aux rayons X, nous savons à quoi ressemblent les molécules et il sera beaucoup plus simple de commencer par la molécule et de remonter vers le haut.

Des molécules aux toiles d’araignée

Puisque cette question provient d’une équipe qui joue avec des legos de manière compétitive, regardons comment ces molécules sont liées entre elles. Les structures importantes de la molécule sont des parties rigides de la protéine appelées feuilles bêta, qui se renforcent par des liaisons hydrogène :

Voici une ‘photographie’ par cristallographie aux rayons X d’une molécule de soie individuelle:

Ces segments jaunes sont des feuillets bêta, et ils maintiennent la protéine ensemble. Le truc à la fin est principalement constitué d’un autre type de structure, appelé hélices alpha. Les feuilles bêta maintiennent la molécule ensemble, tandis que les hélices alpha permettent à la molécule de s’étirer un peu. La soie d’araignée est un tas de ces molécules collées ensemble, et la façon dont elles sont collées ensemble se renforce mutuellement en maximisant ces liaisons hydrogène.

Voici comment ces molécules sont collées ensemble :

Dans la structure de la soie d’araignée, ces molécules individuelles se lient ensemble pour former des cristaux dans le fil. Ces cristaux sont maintenus ensemble de manière lâche par des cordes plus flexibles. La liaison hydrogène au sein des feuilles bêta crée une structure solide, qui est renforcée à plusieurs niveaux. Les structures protéiques souples permettent à la soie d’araignée d’être flexible et extensible.

Cette collection lâche de cristaux et de structures protéiques forme une corde… et l’araignée tisse plusieurs cordes. Ces cordes sont maintenues ensemble par quelques couches de protéines, ce qui fournit une autre couche de renforcement :

Si l’on passait à l’échelle, pourrions-nous utiliser la soie pour retenir les gens ?

Il est difficile de répondre à cette question, car nous ne pouvons pas encore réellement fabriquer de grandes cordes en soie d’araignée. Pour être filée à la force optimale, les conditions chimiques de toute soie produite en dehors du corps de l’animal doivent être parfaites. Nous n’en sommes pas encore tout à fait à la production à grande échelle, même si nous nous en rapprochons peut-être.

Malgré tout, il est utile d’avoir une sorte de comparaison. Les cordes d’escalade sont faites de nylon extensible, et un brin de la soie d’araignée la plus forte jamais enregistrée est 18 fois plus fort en proportion. La soie de ver à soie, qui est produite en masse, est environ 6 fois plus résistante en proportion. Nous produisons de la soie de chenille en masse depuis des milliers d’années, c’est donc un assez bon modèle.

Il faut mentionner que les informations ci-dessus comparent des fils filés individuellement avec une corde d’escalade préparée commercialement. Les méthodes de préparation, l’humidité, la façon dont le tissu est tissé, et même des choses comme les colorants peuvent affecter la résistance des produits préparés commercialement. Alors qu’un brin individuel de soie, qu’il s’agisse d’araignée ou de chenille, est à peu près aussi solide qu’un brin individuel de nylon utilisé dans les cordes d’escalade… Je ne suis pas particulièrement heureux de cette comparaison.

J’ai l’impression que la seule façon de répondre correctement à cette question est d’examiner les produits préparés commercialement conçus pour retenir les gens. C’est là que la soie aérienne entre à nouveau en jeu.

C’est une danse exécutée sur un tissu en nylon, ce qui signifie que je peux comparer la résistance à la rupture de ce tissu à un tissu en soie préparé commercialement. Le tissu de soie aérien (encore une fois, en nylon) peut supporter un peu plus de 1100 kg. Surah, en revanche, a une résistance à la rupture de 30 kg. C’est bien en dessous de ce que je pourrais utiliser pour me soutenir. Les cordes ou les soies aériennes doivent pouvoir retenir au moins 10 fois votre poids pour être utilisées en toute sécurité.

Il existe des applications de la soie qui ont été utilisées pour retenir des personnes, mais les pénuries et les accords commerciaux après la Seconde Guerre mondiale ont fait passer la soie d’un tissu utilisé pour fabriquer ce genre d’équipement de protection à des vêtements. La façon dont la soie est préparée peut changer radicalement sa force, donc les choses faites de soie peuvent ne pas être plus fortes que celles faites de nylon, même si les fils individuels peuvent être plus forts.

The Bottom Line

Le domaine de la biomimétique a fait de très grands progrès dans la reproduction de la soie d’araignée au cours des dernières années, mais les grandes différences de biochimie entre l’araignée et les systèmes de production in-vitro ont rendu la tâche difficile. La réputation de la soie comme produit de luxe, et l’économie associée, ont favorisé l’utilisation du nylon dans les équipements de sécurité au détriment de la soie, malgré le fait que la soie soit hypothétiquement meilleure selon de nombreuses mesures.

La soie, qu’elle provienne d’une araignée ou d’un insecte, est un matériau très solide, bien que cela soit souvent confondu avec la ténacité. Votre dragonne d’araignée typique qui construit une toile est en fait à peu près aussi solide qu’un fil de nylon typique, bien que sa ténacité soit plus de deux fois plus élevée. La préparation commerciale peut changer radicalement cela pour un certain nombre de raisons, et la même fibre à une échelle différente peut avoir des propriétés différentes en raison de toute une série de facteurs.

La plus grande avancée dans la fabrication de soie d’araignée artificielle s’est produite cette semaine. Un groupe de scientifiques a identifié différentes sections de protéines de soie qui avaient une meilleure solubilité dans les conditions qu’ils utilisaient pour fabriquer la soie, et les ont fusionnées ensemble. Le résultat a été une soie d’araignée reproductible en masse, deux fois moins résistante et un quart de la soie que celle que les araignées tissent.

On y arrive… mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir.

Travaux cités