du biomimétisme à l’innovation technologique janvier 2015 · pdf...
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Du biomimétisme
à
l’innovation technologique
Janvier 2015
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Plan
• Définition
• Historique du biomimétisme
• Les premiers exemples de biomimétisme
• Quelques applications technologiques − surfaces superhydrophobes et autonettoyantes
− adhésion réversible
− auto-cicatrisation
− autres exemples
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Plan
• Définition
• Historique du biomimétisme
• Les premiers exemples de biomimétisme
• Quelques applications technologiques − surfaces superhydrophobes et autonettoyantes
− adhésion réversible
− auto-cicatrisation
− autres exemples
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Définition du biomimétisme
• Du grec « bios » : la vie et « mimesis » : imitation− démarche d’innovation
− fait appel au transfert et à l’adaptation des principes et stratégies élaborés par
les organismes vivant et les écosystèmes
� produire des biens et des services de manière durable
� rendre les sociétés humaines compatibles avec la biosphère
• Aujourd’hui 15 millions d’espèces vivantes− 3,8 milliards d’années d’évolution
− chaque espèce a obtenu sa survie à long terme
� grâce à un processus d’adaptation naturelle par essais et erreurs
� application concrète des principes de la durabilité
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Définition du biomimétisme
• Méthode biomimétique − chercher réponses performantes déjà sélectionnées par organismes vivants
− permettre une réduction des coûts énergétiques, la faiblesse des émissions
et/ou la non-toxicité
− nécessite que les différents scientifiques (physiciens, chimistes, biologistes,
ingénieurs) travaillent ensemble (interdisciplinarité)
• Trois niveaux d’inspiration en terme de durabilité− les formes adoptées par les êtres vivants,
− les matériaux et les processus de « fabrication » opérant chez les êtres vivants,
− les interactions que les espèces développent entre elles et le fonctionnement
global des écosystèmes naturels
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Définition du biomimétisme
• Principes de la nature− La nature récompense la coopération.
− La nature fonctionne à l’énergie solaire.
− La nature utilise seulement l’énergie dont elle a besoin.
− La nature ne fait pas d’excès.
− La nature puise sa créativité dans les limites qui lui sont imposées.
− La nature recycle tout.
− La nature recherche l’expertise locale.
− La nature capitalise sur la diversité.
− La nature adapte la forme à la fonction.
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Plan
• Définition
• Historique du biomimétisme
• Les premiers exemples de biomimétisme
• Quelques applications technologiques − surfaces superhydrophobes et autonettoyantes
− adhésion réversible
− auto-cicatrisation
− autres exemples
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Historique du biomimétisme
• Notion introduite et popularisée en 1997 par Janine Benyus− biologiste américaine
− 6 livres dont « Biomimicry: Innovation Inspired by Nature” (1997)
− co-fondatrice de la Biomimicry Guild (1998, entreprise de consulting)
� intérêt très fort pour le biomimétisme
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Historique du biomimétisme
• Notion introduite et popularisée en 1997 par Janine Benyus− co-création du Biomimicry Institute (2005)
� développer des programmes éducatifs pour tous,
� travailler à créer des politiques publiques utilisant le biomimétisme pour
trouver des solutions aux défis économiques et environnementaux,
� encourager les entreprises qui profitent de la biomimétique à apporter un
soutien financier à la biodiversité.
− lancement de la base de donnée « asknature » (2007)
� première bibliothèque numérique au monde de solutions technologiques
inspirées de la nature
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Historique du biomimétisme
• Notion introduite et popularisée en 1997 par Janine Benyus− lancement de Biomimicry 3.8 (2010)
� leader mondial du conseil en innovation dans le domaine du biomimétisme,
de la formation professionnelle, de l'éducation et du développement de
programmes d'études
� « 3,8 milliards d'années d'inspiration et de R & D »
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Historique du biomimétisme
• En Europe− Biomimicry Europa
� association à but non lucratif née en 2006 à Bruxelles
� se consacre à la promotion du biomimétisme
� comité Français de Biomimicry Europa créé en 2010 à Paris
� trois actions
� sensibilisation du public
� expertise et R&D (campus du biomimétisme à Senlis, contribution à
un rapport d’étude du CGDD, travaux de normalisation, projets de
recherche)
� Actions sur le terrain (« arbres sauveteurs »)
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Plan
• Définition
• Historique du biomimétisme
• Les premiers exemples de biomimétisme
• Quelques applications technologiques − surfaces superhydrophobes et autonettoyantes
− adhésion réversible
− auto-cicatrisation
− autres exemples
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Les premiers exemples du biomimétisme
• Le 1er vrai chercheur biomimétique : Léonard de Vinci (1452 – 1519) − « Va prendre tes leçons dans la nature, c'est là qu'est notre futur »
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Les premiers exemples du biomimétisme
• Autres précurseurs − Hezafen Ahmed Celebi (1609-1649)
� a étudié le vol des oiseaux et a développé un appareillage de vol avec
lequel il a réussi à décoller
− Otto Lilienthal (1848 - 1896)
� a étudié le vol des cigognes et a créé les premiers appareillages de vol
réussis pour les vols de glissement
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Les premiers exemples du biomimétisme
• Aérodynamisme des avions− difficulté dans le vol des avions : le courant aérien se rompt à la fin des ailes,
créant des tourbillons qui augmentent la résistance aérodynamique.
� observation de la cigogne par Ingo Rechenberg (1954)
� particularité de l'éventail que forment ses plumes au bout de l'aile
� plus le courant est fort, plus l'extrémité des ailes s'écarte, et se courbe
� fait diminuer la résistance aérodynamique
winglets aux extrémités des ailes de leur avion
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Les premiers exemples du biomimétisme
• Le Velcro− inventé par le suisse Georges Mestral en 1948
� observation des graines de bardane (chardon alpin) qui s’accrochent au
velours par des crochets, et que l’on peut décrocher
� Avec l’aide d’un fabricant de textile de Lyon, il met au point une pièce de
nylon à petites boucles et une autre à petits crochets
� velours – crochet Velcro (US 2717437, 1955)
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Plan
• Définition
• Historique du biomimétisme
• Les premiers exemples de biomimétisme
• Quelques applications technologiques
− surfaces superhydrophobes et autonettoyantes
− adhésion réversible
− auto-cicatrisation
− autres exemples
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Plan
EFFET LOTUS
SUPERHYDROPHOBICITE
ANTI-ADHERENCE
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus − l’eau glisse sur la feuille sans la mouiller
− elle entraine les impuretés présentes en surface
θ∗ ~ 160°
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus
Lotus
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus
Lotus
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus
Lotus
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus− rugosité à l’échelle du nanomètre (effet physique)
− surface recouverte ou constituée de cire (effet chimique)
� le design favorise l’emprisonnement d’air
� mouillage nul et angle de contact voisin de 180°
‒ 200 plantes superhydrophobes et des animaux (canard, gerris…)
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus− travaux laboratoire
� revêtements sol-gel (couches minces),
� traitements laser, micro-grenaillage, attaque à l’acide, photolithographie,
plasma (nanotubes de C)…
Techniques de nanotexturation
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Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes
• Effet Lotus
Exemple de produit commercial : Ultra-ever Dry (Ultratech)
− facile à appliquer
� par pistolet à air comprimé,
� par pulvérisateur à pompe
� par spray manuel.
− translucide, 2 couches nécessaires (1L couvre
4m², tps de séchages restreints)
� plusieurs exemples d’utilisations industrielles
en extérieur dont chantiers
� dégradés par les solvants (peintures en phase
solvant par exemple)
� durée de vie du traitement?
− testé actuellement par Nissan (avril 2014)
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Plan
ADHESION
REVERSIBLE
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Adhésion réversible
• Biomimétisme du déplacement du Gecko − structure fine de fibrilles hiérarchisées,
− adhésion basée sur les forces de Van der
Waals et forces capillaires
− caractéristiques théoriques� anisotropie*
� coefficient d’adhésion élevé
� force de détachement faible
� force d’adhésion indépendante du matériau du
support
� autonettoyant
� anti-auto-adhérent
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Adhésion réversible
• Facteurs clés − nombre de fibres par unité de surface (le plus possible)
− forme des fibres (colonnes, champignons…)
− taille (diamètre, hauteur …)
− orientation …
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Adhésion réversible
• Procédé général de fabrication (lithographie)− master (analogie avec moule du tampon)
� wafer (plaque) en silicium + résine photorésistante (SU-8)
� mis en forme par photolithographie, faisceau d’électron, or micro-usinage
− moule (analogie avec le tampon encreur)� en polyimide, silicone, PMMA ou PU (durcis par chaleur ou UV)
− film en polymères (analogie avec le support imprimé)� en polyimide, PVS, PDMS, PMMA, PU, PS, silicon rubber, PP, PE…
� dimensions limitées par l’impact économique de la taille du moule (30cm de
diamètre pour moule ronds)
• Procédé coûteux
• Plusieurs variantes
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Adhésion réversible
• Filaments en forme de colonnes− les débuts de l’adhésion réversible avec le Gecko tape* (2003)
− gravure sèche au plasma� bombardement de gaz ionisé (plasma) afin de retirer une partie du
matériau en surface
− films contenant des fibres de forme « colonne » en polyimide (a),
− force d’adhésion de 3N/cm²,
− défaut de regroupement des fibres en tas (b).
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Adhésion réversible
• Croissance de nanotubes de carbone (NTC)− travaux de l’équipe du Pr Dhinojwala (Univ. d’Akron, 2009)
� dépôt en phase vapeur catalytique
� NTC regroupés en faisceaux de 500 à 700 microns de hauteur
� force d’adhésion très élevée (45 N/cm² au max)
� problème d’arrachement des NTC lors du détachement
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Adhésion réversible
• Filaments en forme de champignon − travaux de Sameoto et Menon (Canada)*
− procédé de fabrication modulable et « économique »
qui serait adaptable à du roll-to-roll d’après les auteurs� master (1)
� acrylate PMMA Optix® + masque en résine
photosensible Su-8
� substrats SU-8 / acrylate exposés à 254 nm
� moule (2) négatif en silicone rubber (TC 5045)
� films en polyurethane (3)
� force d’adhésion de 27 N/cm² max.
(1)
(2)
(3)
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Adhésion réversible
• Double photolithographie− structures hiérarchisée
� travaux Artz / Del Campo / Gorb*
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Adhésion réversible
• Photolithographie laser (1/2)− Equipe du Pr Röhrig (Karlsruhe, Ge) avec
Nanoscribe GmbH*� résine acrylique photorésistante et dense de
formulation spécifique (IP-G 780)
� Ecriture directe dans le matériau
� polymérisation de la matière par l’énergie du
faisceau laser
� élimination de la matière non polymérisée par un
bain de développement PGMEA**
� longueur, diamètre, nombre de niveaux de
hiérarchie, espacement, forme de la pointe sont
variables.
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Adhésion réversible
• Photolithographie laser (2/2)− Equipe du Pr Röhrig (Karlsruhe, Ge) avec Nanoscribe GmbH
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Adhésion réversible
• Filaments en forme de spatules − travaux équipe de Sitti* (Pennsylvanie)
− gravure ionique réactive avec effet de micromasquage (DRIE)
− fibres en polyurethane ( ∅ min 4.5 µ à 9 µ pour H = 20 µ) avec force
d’adhésion de 18 N/cm²
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Adhésion réversible
• Micro-usinage− robots pour surfaces verticales*
� filaments orientés en polyuréthane
� moule en Delrin en 3 parties**
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Adhésion réversible
• Un produit commercial : le Gecko Nanoplast (1/2)− produit par Goettlib Binder GmbH
� fibres champignons
� film de 0,34 mm d’épaisseur, 29 000 ventouses/cm²,
� adhésion sur surfaces lisses uniquement,
� facilement nettoyable ou stérilisable
� largeur max de 10 cm (limite liée à la machine de fabrication)
� prix au mètre linéaire élevé
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Adhesion réversible
• Un produit commercial : le Gecko Nanoplast (2/2)− applications potentielles
� pick and place (Capsugel, Nanoforcegripper* de Festo…)
� anti-dérapant (chaussons véliplanchistes, gants pour maintenir des
objets revêtus d’huile…)
� médical (pansements anti-brulure…)
� fermeture des paquets de tabac** (trop cher)
� fixation de capteurs…
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Plan
MATERIAUX
AUTOCICATRISANTS
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Matériaux autocicatrisants
• Les matériaux les plus anciens− mortier des constructions romaines
� plus de 2000 ans d’existence
� mélange de cendres volcaniques et de chaux
� chaux dissoute par les pluies et se déplace vers fissures
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Matériaux autocicatrisants
• Des matériaux omniprésents− inox
� contient 12% de chrome
� fissure => chrome réagit avec O2 et forme de l’oxyde de chrome
� isole la surface et prévient la corrosion
− asphalte� viscosité du bitume permet de combler les micro-fissures au repos (nuit…)
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Matériaux autocicatrisants
• Imitation du monde du vivant− régénération des os, des tissus
− « réparation » autonome
• Influence sur les performances− balance entre propriétés mécaniques et capacité de régénération
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Matériaux autocicatrisants
• Explosion du nombre de publications sur le sujet− dans tous les domaines
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Matériaux autocicatrisants
• 3 étapes− activation
− transport
− réparation
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Matériaux autocicatrisants
• Activation
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Matériaux autocicatrisants
• 3 approches biomimétiques− encapsulation
− modèle vasculaire
− modèle intrinsèque
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Matériaux autocicatrisants
• Encapsulation‒ ne fonctionne qu’une seule fois
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Matériaux autocicatrisants
• Encapsulation : Projet Safe@sea− collaboration entre SINTEF (labo) et Helly Hansen− vêtement de marin auto cicatrisant
� polyuréthane et microcapsule de produit cicatrisant
� déchirure provoque libération du cicatrisant
� l’air et l’eau active la cicatrisation
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Matériaux autocicatrisants
• Produits commerciaux basés sur l’encapsulation‒ Autonomic Materials− résine vinyle pour application sur uréthane et silicone
− encapsulation de deux composés
� résine vinyle
� catalyseur
− collaboration avec l’institut Beckman (Illinois)
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Matériaux autocicatrisants
• Modèle vasculaire : procédé appliqué− reproduire le système vasculaire humain
− cicatrisation théoriquement infinie
− application principalement aux composites
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Matériaux autocicatrisants
• Modèle vasculaire : travaux universitaires− Université Illinois (Nancy Sottos and al.)
� impression de nanocanaux dans le matériau
� remplissage à la seringue
� futures applications aérospatiales
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• Modèle intrinsèque : 3 possibilités de cicatrisation
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Matériaux autocicatrisants
• Modèle intrinsèque exploite propriétés physiques à l’échelle
moléculaire− petits polymères
− liaisons réversibles entre chaque molécules
− phénomène théoriquement infini
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Matériaux autocicatrisants
• Travaux laboratoires sur le modèle intrinsèque− chimie supramoléculaire (Dr Stuart Rowan)
� mise au point de petits polymères
� assemblage par liaison hydrogène réversibles
� couplage avec éléments métallique (transformation et apport d’énergie)
� réparation activée par les UV
� en cours d’amélioration (baisse de la température d’activation)
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Matériaux autocicatrisants
• Travaux universitaires sur le modèle intrinsèque− peau artificielle (Pr Zhenan Bao)
� polymère plastique avec liaisons hydrogènes réversibles
� conductivité équivalente à un métal
� comportement analogue à la peau humaine
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• Travaux universitaires sur le modèle intrinsèque− laboratoire du Pr Marek Urban (Université de l’Illinois)
� « le plastique qui saigne »
� film constitué d’un mélange de polymères
� réarrangement de chaines polymères lors d’une fissure
� chaines de polyuréthane qui s’auto-cicatrisent grâce aux UV
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Matériaux autocicatrisants
• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque− polyurethanes auto-réparants Bayer (video)
� liaisons hydrogènes réversibles
� cicatrisation favorisée par la chaleur
� gamme de produit pour voiture et protection du bois
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Matériaux autocicatrisants
• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque− SupraPolix (Pays Bas, vidéo)
− Reverlink® d’Arkema
� liaisons hydrogènes réversibles
* (http://www.suprapolix.com/) . Video
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• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque− Scratch Shield (Nissan)
� réarrangement des chaines de polymères
� peinture pour voiture
http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/scratch.html
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Matériaux autocicatrisants
• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque‒ Tuftop® de Toray advanced film
� application : film de protection pour petits appareils
http://www.toray.com/products/films/fil_015.html
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Matériaux autocicatrisants
• Efficacité variable− fonction de la taille des dommages et de l’approche employée
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Plan
AUTRES EXEMPLES
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Autres exemples du biomimétisme
• Du bec du martin-pêcheur au train japonais‒ bec aérodynamique
� permet de pénétrer dans l’eau en gardant un maximum de vitesse et en
faisant un minimum de remous
� application au Shinkansen pour faciliter l’entrée dans les tunnels japonais
(régions montagneuses)
� 10% plus rapide, économie d’électricité de 15%, et nuisance sonore
moindre
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Autres exemples du biomimétisme
• De la peau de requin à la combinaison de plongée‒ la thèse qui voudrait qu'une surface soit le plus lisse possible, pour être la plus
aérodynamique possible n'est pas forcément vraie
� « l'effet riblet »
� l'eau s'engouffre dans les micro-rainures de l'animal, ce qui engendre
des remous qui permettent à l'animal de diminuer sa résistance à l'eau
� écoulement optimisé car ralenti et restructuré (thèse discutée
toutefois)