II. UNE DES BOITES A OUTILS DE LA QUATRIEME REVOLUTION INDSTRIELLE
La mise en parallèle à l'horizon 2050, de la croissance du nombre d'hommes, de l'augmentation de leurs besoins, et de la raréfaction des ressources mises à notre disposition nous contraindra à modifier assez rapidement l'assise de notre développement économique.
Or, notre mode de développement est largement l'héritier de la révolution industrielle et des nombreux acquis technologiques du dernier siècle et repose sur un postulat de disponibilité de ressources qui vont se raréfier. Certes, on peut estimer que le passage progressif à une société numérisée permettra d'optimiser graduellement certains de nos processus industriels.
Mais, pour l'essentiel, beaucoup de procédés industriels que nous mettons en oeuvre sont dispendieux en matières premières, coûteux en énergie et insuffisamment sélectifs.
A l'opposé de ces procédés industriels physicochimiques, l'évolution a produit des solutions biologiques, beaucoup plus sophistiquées que les artéfacts humains pour répondre aux pressions de sélection.
Cette « mémoire de réussite » que constitue la biodiversité du vivant doit conduire à une montée de l'industrie basée sur la biologie et la biotechnologie qui jointe à la montée des nanotechnologies, sera un des ressorts de la prochaine révolution industrielle .
Deux grands chantiers scientifiques et technologiques vont y contribuer : la bio-inspiration et les biotechnologies.
A. LES PRODUITS BIO-TECHNIQUES ET BIO-INSPIRES
Le mythe d'Icare, les planches de Léonard de Vinci ou la « chauve-souris » de Clément Ader témoignent du fait que, dans le passé, la biodiversité du vivant a été une source d'inspiration du progrès technologique.
Plus proche de nous, on peut mentionner l'invention du Velcro en 1941 par un ingénieur Suisse, Georges de Mestral, qui s'est interrogé sur les données physiques qui permettaient aux chardons de rester accrochés à la fourrure de son chien.
Dans les dernières années, on a assisté à un rapprochement dans la démarche de certains physiciens ou chimistes avec les modes de fonctionnement du vivant.
Les exemples de la structure autonettoyante de la feuille de lotus, du placement de la punaise d'eau sur un liquide, ou de l'utilisation des liaisons de Van der Waals qui permet aux millions de poils des pattes du gecko de s'accrocher aux parois verticales, sont connus.
On peut aussi citer pour l'aérodynamique et l'hydrodynamique la bio-inspiration en nautisme et aéronautique.
Mais la démarche scientifique et industrielle devient plus systématique sur ce point : elle vise à analyser les propriétés complexes des matériaux et des processus biologiques du vivant et de les détourner à des fins industrielles en utilisant soit le biomimétisme, soit la bio-inspiration.
1. Des matériaux aux propriétés complexes.
Par rapport aux produits issus de l'activité industrielle, les matériaux du vivant ont des qualités particulières.
En premier lieu, ils se fabriquent généralement sous thermisation faible et donc avec une grande économie d'énergie.
Ensuite, ils possèdent des propriétés complexes :
- ils sont autonomes ; ils s'auto-organisent, se reconfigurent et s'auto-régénèrent.
- ils possèdent un degré très élevé d'optimisation des structures composites.
On peut donner deux exemples de cette optimisation. La coquille d'ormeau est un matériau très dur (les physiciens disent qu'il a une très grande ténacité). Faite d'aragonite (CaCo3), cette coquille a une résistance propre plus de dix fois supérieure à celle de son composant.
Pourquoi ? Parce que, dans cette structure, les plaques d'aragonite sont maintenues entre elles par une colle organique (elle-même formée à partir de protéines qui ont servi à la croissance de la coquille de carbonate de calcium) :
Autre illustration, l'organisation multi-échelles des matériaux . Le bois composé de celluloses se caractérise par les typologies d'organisation très différentes de cette cellulose, au sein d'une espèce entre la fibre et l'arbre, ou entre espèces ligneuses, en quelque sorte du chêne au roseau.
- ils mettent en oeuvre des combinaisons sophistiquées entre le biologique et le minéral qui donnent à certains organismes vivants :
des propriétés optiques , car le minéral est stable à la lumière et permet de la focaliser (comme le font, par exemple, les calamars géants pour voir leurs proies, ou les bactéries extrêmophiles des évents marins qui utilisent cette capacité pour concentrer la lumière).
des propriétés magnétiques , comme celles de ces bactéries qui contiennent de l'oxyde de fer qui leur permet de s'orienter en fonction du champ magnétique terrestre.
Cette formation des matériaux par les êtres vivants aboutit à deux voies de recherche originales, par rapport aux biotechnologies traditionnelles, le biomimétisme et la bio-inspiration.
2. Le biomimétisme
La démarche biomimétique vise à :
- repérer un comportement remarquable dans la fabrication de matériaux par le vivant,
- comprendre la relation qui s'établit entre le comportement de fonctionnement et la structure de fabrication,
- et à répliquer cette structure pour élaborer des matériaux durables, selon des processus préindustriels, c'est à dire de façon rapide, standardisée, en recherchant le moindre coût.
Dans les faits, les recherches biomimétiques, qui doivent être fortement encouragées sur le plan académique, ont déjà débouché sur de nombreuses applications :
* la chimie douce :
- élaboration de silice dans l'eau à température ambiante (hydrolyse + polycondensation) au lieu de la fabriquer dans des fours à 2000°C.
* les matériaux adaptatifs :
- verres photochromes qui peuvent varier de couleur en fonction des ultra-violets,
- matériaux à changement de phase ; par exemple les vitrocéramiques (plaques auto-cuisantes),
- les alliages à mémoire de forme, dont les matériaux présentent des formes différentes suivant la température (application en médecine pour les supports de vaisseaux sanguins destinés à prendre une forme différente une fois en place dans le corps),
- l'auto-assemblage pour imiter l'auto-organisation : on organise la matière à l'échelle de quelques microns sans manipuler les objets (silice microporeuse utilisée dans le marché du traitement de l'air avec des filtres d'un diamètre de 100 u à quelques dizaines de nanomètres)
* les matériaux industriels reproduisant les propriétés des matériaux issus du vivant.
La liste qui suit n'est pas exhaustive mais elle illustre bien sa variété d'application, la valeur potentielle que la biodiversité peut offrir à l'adaptation de nos modes de développements.
On trouve des exemples industriels achevés de l'application de cette démarche biomimétique :
- la diminution de poids et l'augmentation de la résistance des structures d'ailes de l'A 380 grâce à l'imitation des structures osseuses des ailes d'oiseaux,
- les cristaux photoniques en latex, « calés » sur les longueurs d'onde de la lumière qui permettent de faire varier les effets optiques des matériaux,
- les pare-brise anti-pluie qui reposent sur les angles de contact des gouttes d'eau avec la pluie et sur l'imitation de la structure (en picot hydrophobe) de la feuille de nénuphar,
- un ruban adhésif très collant inspiré de la structure des pattes du gecko (en multipliant les mini-structures collantes de 2 u),
- ou les composites laminés comme le blindage léger en aluminium-titane.
3. La bioinspiration
Cette démarche a pour objet d'utiliser les molécules impliquées dans la fabrication des matériaux par le vivant ou d'identifier ou de synthétiser des analogues de ces molécules pour produire des artéfacts que le vivant ne produit pas parce que l'évolution ne l'a pas commandé.
Ce champ scientifique qui demeure très en amont de l'application industrielle est probablement un des plus prometteurs du siècle à venir.
Cette discipline peut utiliser des croisements de technologie :
- en fusionnant deux facteurs biologiques pour obtenir des matériaux nouveaux (par exemple une molécule fabricant du fil d'araignée et une molécule tirée des diatomées pour fabriquer de la silice) ;
- en déterminant les processus biologiques de fabrication des matériaux des êtres vivants pour en obtenir d'autres (on utilisera « l'usine » à fabriquer de la silice que sont les diatomées pour produire du titanate de baryum) ;
- en construisant des activités biologiques de fabrication d'un matériau (il est possible en laboratoire de piéger des bactéries dans des gels de silice et d'en utiliser pour produire des molécules à vocation thérapeutique : de même, on peut utiliser ces mélanges minéral-biologique pour piéger des parasites responsables de maladies dans ces matériaux afin de produire des tests de diagnostics ;
- en utilisant les processus biologiques pour produire des micro et nanostructures, qui seront, à terme, en plus demandées dans les processus industriels.
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S'agissant de ces deux disciplines, dans lesquelles notre pays avait une avancée non négligeable, on ne peut que regretter qu'elles souffrent des maux chroniques de la recherche française :
- un sous-financement habituel des disciplines émergentes,
- un manque de liens entre la recherche, le développement technologique et l'industrie.
La mission menée par vos rapporteurs en Allemagne montre le développement accéléré du réseau bionique dans ce pays (biomimétique-bioinspiration) ; ce réseau qui ne regroupait que 6 laboratoires en 2001, en comptait 52 en novembre 2006.
C'est un exemple à méditer.