UHJ : des scientifiques créent une super-glace 10 fois plus résistante et beaucoup plus difficile à briser

En renforçant la glace à l’aide de minuscules cristaux d’origine végétale et d’une protéine spécialement conçue, des chercheurs de l’Université Hébraïque de Jérusalem ont mis au point un matériau dont la résistance rivalise avec celle du béton et qui est capable d’absorber 70 fois plus d’énergie avant de se rompre.

La glace est peu coûteuse, abondante et étonnamment résistante. Elle présente toutefois une faiblesse majeure : des fissures peuvent s’y propager rapidement, provoquant sa fragmentation soudaine et imprévisible. Des scientifiques ont désormais mis au point un nouveau matériau susceptible de résoudre ce problème. Cette glace renforcée, baptisée « BioPykrete », est environ 10 fois plus résistante que la glace ordinaire et peut absorber près de 70 fois plus d’énergie avant de céder. Plutôt que de voler en éclats, elle se déforme et se rompt de manière plus progressive ; une propriété qui pourrait, à terme, permettre de l’utiliser comme matériau de construction dans certaines des régions les plus froides de la planète. Ces travaux ont été dirigés par le Pr Ido Braslavsky, de la faculté d’agriculture, d’alimentation et d’environnement Robert H. Smith de l’Université Hébraïque de Jérusalem.

Créer une glace plus résistante

L’idée de renforcer la glace n’est pas nouvelle. Durant la Seconde Guerre mondiale, des chercheurs avaient expérimenté le « Pykrete », un mélange de glace et de pâte à papier (pulpe de bois) qui s’avérait plus solide et plus lent à fondre que la glace classique. L’équipe a poussé ce concept jusqu’à l’échelle moléculaire. Les chercheurs ont incorporé à la glace des nanocristaux de cellulose, des particules extrêmement petites et rigides issues de la cellulose, le matériau naturel qui confère aux plantes leur structure. Lors de la congélation du mélange, ces particules ont formé un réseau tridimensionnel autour de zones microscopiques de glace. Les scientifiques ont ensuite conçu une protéine capable de se lier aux deux composants : une partie de la protéine s’attache à la glace, tandis que l’autre se fixe à la cellulose. Agissant comme une colle moléculaire, cette protéine assure la cohésion de l’ensemble de la structure.

« Nous voulions aller au-delà d’un simple mélange de fibres dans la glace, en cherchant plutôt à contrôler la manière dont les différents matériaux interagissent à l’échelle moléculaire », explique le Pr Braslavsky. « Ce résultat modifie non seulement la résistance de la glace, mais aussi son mode de rupture. Au lieu de se briser soudainement, elle est capable d’absorber beaucoup plus d’énergie et de se déformer progressivement. »

Empêcher les petites fissures de devenir grandes

Dans la glace ordinaire, même une fissure minuscule peut se propager rapidement et entraîner la défaillance de toute la structure. Dans le BioPykrete, le réseau de cellulose et les liaisons protéiques semblent ralentir ces fissures et les empêcher de se propager librement. Lorsqu’une fissure commence à se propager dans la glace, elle rencontre le réseau de cellulose, qui fait obstacle à sa progression. La « colle » moléculaire, une protéine chimérique dotée d’un domaine qui se lie à la glace et d’un autre qui se lie à la cellulose — ancre le réseau de cellulose dans la glace. Cet ancrage augmente l’énergie nécessaire pour déformer ou déchirer le réseau, ce qui en fait une barrière plus efficace contre la propagation des fissures. Par conséquent, la croissance des fissures est stoppée ou redirigée, ce qui permet de les maintenir à une taille réduite et de les cantonner à des zones limitées. Des tests en laboratoire ont révélé que le BioPykrete est environ 10 fois plus résistant à la compression que la glace pure, atteignant des niveaux de résistance comparables à ceux du béton classique. Il absorbe également environ 70 fois plus d’énergie avant de rompre. La protéine conçue à cet effet joue un rôle crucial : son ajout permet de doubler à la fois la résistance et la capacité d’absorption d’énergie du matériau, par rapport à un mélange similaire de glace et de cellulose dépourvu de ce pont moléculaire.

Pourrions-nous un jour construire avec ce matériau ?

Les chercheurs envisagent une utilisation du BioPykrete principalement dans les régions arctiques et antarctiques, où le transport du béton, de l’acier et d’autres matériaux de construction peut s’avérer coûteux et complexe. Comme ce matériau est composé essentiellement de glace et de cellulose d’origine végétale, il pourrait constituer une alternative biodégradable, avec une empreinte carbone plus faible, pour certaines structures destinées à des environnements soumis à un froid extrême. Toutefois, il est encore trop tôt pour envisager la construction de bâtiments en BioPykrete. Ce matériau n’en est pour l’instant qu’au stade de preuve de concept et doit faire l’objet d’essais complémentaires. Les scientifiques doivent notamment étudier son comportement sur de longues périodes, sa réaction face à des cycles répétés de gel et de dégel, ainsi que sa propension à se déformer lentement sous une pression constante. De futures études examineront également la manière dont les fissures se propagent au sein du matériau, et testeront de nouvelles protéines ainsi que des méthodes de congélation inédites, susceptibles de renforcer encore davantage cette « super glace ».

Publication dans *Colloids and Surfaces B: Biointerfaces*,