ADHESIFS
BIO-INSPIRES
Colles des
moules et des Geckos
Gérard
Gomez
1)
Généralités :
Les
organismes vivants ont développé des solutions étonnantes pour adhérer à des
surfaces variées, souvent dans des conditions extrêmes (milieu marin, surfaces
humides, parois verticales). Ces mécanismes naturels inspirent la conception de
nouveaux adhésifs bio-inspirés, durables et respectueux de l’environnement, que
la chimie organique cherche à reproduire.
1-1) La colle des moules
Les
moules sécrètent des fils de byssus, sortes de filaments solides qui leur
permettent de s’ancrer aux rochers, même en présence d’eau salée agitée.
Cette
adhésion repose sur des protéines riches en un acide aminé la tyrosine modifiée
en DOPA (3,4-dihydroxyphénylalanine).
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Tyrosine |
DOPA |
La
DOPA contient un noyau catéchol (un cycle benzénique avec deux groupes
hydroxyles voisins).
Ces fonctions catéchols peuvent établir :
- Des liaisons hydrogène fortes avec les
surfaces minérales,
- Des coordinations avec des ions métalliques
(ex. Fe³⁺),
- Et surtout former des liaisons covalentes par
oxydation en quinones, qui stabilisent l’adhésion.
Ces
protéines sont ainsi capables d’adhérer sur des surfaces humides, un défi
majeur pour les colles synthétiques classiques.
A) Liaison hydrogène forte
avec les surfaces minérales :
La
surface minérale est représentée par la silice et la dopa des protéines du
byssus par le noyau catéchol dans les schémas ci-dessous ; les liaisons
hydrogène figurent en pointillés.
« Catéchol
donneur » signifie que c’est le catéchol qui fournit l’hydrogène
partiellement positif de la liaison hydrogène, tandis que c’est le silanol de la silice qui fournit l’oxygène.
« Catéchol
accepteur » signifie que c’est le catéchol qui fournit l’oxygène de la
liaison hydrogène, tandis que c’est le silanol de la
silice qui fournit l’hydrogène.
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B) Liaisons
covalentes par coordination avec des ions métalliques :
B1) Coordination
avec des ions métalliques :
- Les groupements catéchols
de la DOPA non oxydée peuvent chélater des ions métalliques (notamment Fe³⁺ présents dans l’environnement).
- Chaque DOPA agit
comme ligand bidentate (les 2 –OH ortho se lient
au métal).
- La liaison
catéchol–Fe³⁺ dans le byssus est une liaison
de coordination, qui possède un caractère covalent partiel,
mais reste réversible.
Elle n’est donc pas covalente au sens classique (comme une liaison C–C ou C–N), mais elle est plus forte qu’une simple interaction physique. - Ces ponts
métalliques renforcent la cohésion et confèrent une réversibilité
mécanique (les liaisons se reforment si elles se cassent).
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B2)
Liaisons covalentes
par oxydation du noyau catéchol en quinones :
- En présence
d’oxydants (O₂, enzymes comme la tyrosinase, ou même
Fe³⁺), il y a passage de l’état réduit →
oxydé :
- Les deux –OH ortho
deviennent deux groupes carbonyle (=O).
- La molécule passe
d’un donneur de liaisons H à une espèce électrophile réactive.
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1-2) Le gecko et ses pattes collantes :
Contrairement
aux moules qui utilisent des liaisons chimiques via le catéchol de la DOPA), le
gecko colle grâce à un tout autre principe : les forces de Van der Waals.
Le
gecko n’utilise donc aucune colle chimique mais exploite au maximum des interactions
moléculaires faibles, rendues efficaces par une ingénierie naturelle à
l’échelle nano.
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Structure
des pattes
- Les geckos ont des lamelles sous leurs
doigts, recouvertes de millions de micro-poils (setae).
- Chaque seta se
ramifie en centaines de nano-poils (spatules de quelques centaines de nm).
- Cela augmente énormément la surface de
contact avec le support.
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Nature
de l’adhésion
- Les spatules n’émettent pas de colle, d’huile
ou de sécrétion : c’est un phénomène sec.
- L’adhérence repose sur les forces de Van der
Waals, c’est-à-dire les interactions électrostatiques transitoires entre les
nuages électroniques du poil de kératine et ceux de la surface minérale ou
organique.
- Ces forces sont faibles individuellement,
mais leur multiplication par des millions de contacts produit une adhésion
considérable (jusqu’à plusieurs centaines de Newton).
·
Caractéristiques
remarquables
- Réversibilité : le gecko peut se décoller
instantanément en modifiant l’angle de ses setae
→ contrôle mécanique, pas chimique.
- Universalité : ces forces fonctionnent sur
verre, pierre, métal, bois, plastique → tant que la surface est sèche et
propre.
- Pas de dépense chimique : pas de sécrétion,
pas de réaction enzymatique.