Des chercheurs découvrent les secrets de la perfection des perles d’huîtres › Geeky News

Les perles sont des concrétions calcaires formées par certains mollusques (la plupart du temps, les huîtres perlières). Ils se forment lorsqu’un objet irritant (un grain de sable ou d’autres débris) se coince dans la coquille : l’animal se protège en entourant cet objet de fines couches successives d’aragonite (nacre). Étonnamment, quelle que soit la forme initiale de l’objet, chaque nouvelle couche recouvre la première avec précision, ce qui entraîne la formation d’un cordon parfaitement rond, lisse et très résistant. Des chercheurs révèlent les secrets de cette merveille naturelle dans une nouvelle étude.

L’homme s’est inspiré maintes fois de la nature pour inventer de nouvelles technologies. De même, les mécanismes naturels à l’origine de la formation des perles, des structures durables qui présentent un niveau de symétrie qui surpasse tout dans la nature, pourraient conduire au développement de futurs nanomatériaux hautes performances. C’est pourquoi une équipe de chercheurs a examiné ce processus fascinant pour comprendre comment les mollusques pouvaient atteindre une telle perfection à partir d’un objet déformé.

Ils ont constaté que tout dépend du bon équilibre entre deux compétences de base : le mollusque n’est pas seulement capable de corriger les irrégularités qui apparaissent au fur et à mesure des formes de la perle (pour éviter que ces petites imperfections ne se répercutent et s’amplifient à chaque nouvelle couche de nacre). ), mais veille également à adapter l’épaisseur de chaque couche en fonction de la couche précédente. Grâce à cette modulation constante, le mollusque conserve une épaisseur moyenne similaire dans toutes les centaines de couches qu’il va déposer, pour obtenir une perle parfaitement ronde et uniforme. Un vrai travail d’orfèvrerie…

Autocorrection qui corrige l’encombrement et les défauts.

Pour examiner de plus près le processus de fabrication des perles, les chercheurs ont examiné des perles de Keshi (environ 3 millimètres de diamètre), collectées sur des huîtres perlières d’Akoya (Pinctada imbricata fucata), dans une ferme perlière côtière en Australie. Ils ont ensuite découpé ces billes en fines sections transversales, à l’aide d’une scie à fil diamanté, avant d’examiner leur structure par spectroscopie Raman. L’une des perles étudiées, présentée dans son article publié dans la revue PNAS, comportait pas moins de 2 615 couches de nacre, déposées en 548 jours !

Leurs analyses ont révélé que la symétrie d’une perle devient de plus en plus précise au fur et à mesure qu’elle se construit, et le désordre en son centre se transforme progressivement en une sorte de perfection. « Les humains, avec tout notre accès à la technologie, nous ne pouvons pas créer quelque chose à l’échelle nanométrique avec une architecture aussi complexe que celle d’une perle », a déclaré Robert Hovden, professeur adjoint de science et technologie. Du génie des matériaux à l’Université du Michigan et co-auteur de la recherche.

Cette coupe transversale d’une perle de Keshi la montre poussant autour d’un morceau de gravats déformé. Cependant, la perle finale est parfaitement ronde et lisse. © J. Gim et al.

« Ces humbles créatures fabriquent des matériaux super légers et résistants tellement plus faciles et meilleurs que nous! » Dit Laura Otter, biogéochimiste à l’Université nationale australienne de Canberra. Composée uniquement de calcium, de carbonate et de protéines, la nacre est 3000 fois plus résistante que ses matériaux constitutifs.

Les couches de nacre représentent plus de 90 % du volume d’une perle. L’équipe a observé qu’ils devenaient progressivement plus minces et plus semblables à mesure qu’ils s’étendaient vers l’extérieur à partir du centre. Si une couche est plus épaisse, la suivante a tendance à être plus fine et vice versa. « Il y a une interaction entre chaque couche, et nous supposons que cette interaction est ce qui permet au système de se corriger au fur et à mesure de sa progression », explique Hovden.

Cette image au microscope électronique montre comment les couches de nacre d’une perle deviennent plus précises lorsqu’elles se chevauchent à partir du centre de la perle. © J. Gim et al.

Une analyse mathématique des couches de la perle a permis de déterminer la nature et le fonctionnement de cette interaction. Il s’est avéré que ces couches suivent un phénomène connu sous le nom de « bruit rose » ou « bruit 1/f », dans lequel une série d’événements apparemment aléatoires sont en réalité connectés, à chaque nouvel événement (ici le dépôt d’une « nouvelle couche mère – de perle) étant influencée par celle qui la précède. Ce phénomène est très courant dans les systèmes biologiques, physiques et économiques ; elle est présente, par exemple, dans certaines séries de données météorologiques, dans la fréquence cardiaque humaine, dans l’activité neuronale, dans les ondes gravitationnelles ou encore dans les systèmes financiers.

Un processus inspirant pour les futurs supermatériaux

« Quand vous lancez un dé, par exemple, chaque lancer est complètement indépendant et est déconnecté de tous les autres. Mais le bruit 1/f est différent dans le sens où chaque événement est lié », explique Hovden. Ainsi, le bruit 1/f permet à un comptage d’évoluer vers l’ordre et la précision : chaque perturbation dans une couche se traduit par une perturbation opposée dans la couche suivante. Cependant, l’équipe note que cet ordre ne tient pas à long terme : les billes présentent un ordre moyen et maintiennent une symétrie pour une vingtaine de couches à la fois. Mais c’est a priori suffisant pour maintenir la consistance et la pérennité des milliers de couches qui composent une perle.

« Les mollusques trouvent un équilibre entre la préservation de la symétrie translationnelle et la minimisation de la variation de l’épaisseur de la couche, créant un paracristal avec un ordre à échelle moyenne », résument les chercheurs dans leur article. Maintenant, ils espèrent que leurs découvertes aideront à concevoir de nouveaux matériaux avec une architecture nanométrique en couches précise. Ces futurs supermatériaux pourraient notamment être utilisés dans des panneaux solaires plus économes en énergie ou à bord d’engins spatiaux.

« Lorsque nous construisons quelque chose, comme un bâtiment en briques, nous pouvons intégrer la périodicité grâce à une planification, des mesures et une modélisation minutieuses. Les mollusques peuvent obtenir des résultats similaires à l’échelle nanométrique en utilisant une stratégie différente. Nous avons donc beaucoup à apprendre d’eux », conclut Hodven.

PNAS, J. Gim et al.