Pourquoi cette nouvelle technologie inspirée de la fourrure de chameau est super cool

Un matériau à deux couches qui imite les glandes sudoripares des animaux et la fourrure isolante refroidit les surfaces 400 % plus longtemps que les méthodes traditionnelles.

Araignée Wetzel

Correspondant quotidien

Pour survivre dans le désert, un chameau a besoin à la fois de sueur et de fourrure. C'est selon l'ingénieur Jeffery Grossman du Massachusetts Institute of Technology. "S'il n'avait pas de fourrure, il transpirerait beaucoup trop vite et manquerait d'eau, ce qui est une ressource très précieuse pour le chameau", explique Grossman. L'ingénieur s'est demandé s'il pouvait imiter les glandes sudoripares et la fourrure isolante du chameau en superposant deux matériaux. Dans une nouvelle recherche publiée aujourd'hui dans la revue Joule, Grossman détaille la nouvelle technologie innovante qui pourrait être utilisée pour conserver les aliments et les fournitures médicales au frais sans nécessiter d'énergie supplémentaire.

Pour la couche inférieure du système inspiré du chameau, Grossman a utilisé de l'hydrogel, un réseau de polymères hautement absorbant qui est surchargé d'eau. Lorsque l'eau s'évapore de l'hydrogel, le liquide refroidit la surface sur laquelle il se trouve. La couche supérieure créée par Grossman était composée d'aérogel, une structure de silice hydrophobe remplie de minuscules pores qui font du matériau plus de 90 % d'air, ce qui lui a valu le titre de « solide le plus léger du monde ». L'aérogel agit comme la fourrure du chameau, isolant l'hydrogel de la température ambiante plus chaude et ralentissant l'évaporation de l'eau pour une puissance de refroidissement soutenue

Grossman savait que la couche au-dessus de l'hydrogel devait être à la fois isolante et poreuse pour que l'eau puisse s'évaporer à travers elle. Si la couche isolante était trop mince, dit Grossman, c'est comme "avoir un buzzcut sur le chameau" qui ne parviendrait pas à isoler l'hydrogel de la chaleur environnante. Si la couche d'aérogel était trop épaisse ou pas assez poreuse, l'eau de l'hydrogel ne pourrait pas s'évaporer et la technologie perdrait son pouvoir de refroidissement. "En concevant l'aérogel de la bonne manière, cela empêcherait essentiellement l'eau de s'évaporer trop rapidement, mais pas complètement", explique Grossman. En ralentissant l'évaporation, "vous obtenez plus de chaque goutte d'eau".

Pour mesurer les performances de l'approche à deux couches, Grossman et son équipe ont placé un capteur de chaleur sous les couches et placé le système dans une chambre à humidité et température contrôlées. Le capteur a surveillé la température sous l'hydrogel au fil du temps alors que le liquide s'évaporait dans la chambre à 86 degrés Fahrenheit. L'équipe a comparé leur création inspirée du chameau à une seule couche d'hydrogel non recouvert. Le système à deux couches a fait chuter la température près de celle de l'hydrogel seul, mais la double couche a conservé ce pouvoir de refroidissement beaucoup plus longtemps. Grossman a découvert que les matériaux en couches prolongeaient le temps de refroidissement de 400 %.

"Je ne pensais pas que nous pourrions nous rapprocher de la même puissance de refroidissement et aller aussi loin", déclare Grossman, décrivant la période de refroidissement prolongée. "C'est le genre de chose que vous obtenez dans la recherche et vous êtes vraiment heureux parce que cela fonctionne si bien." Les scientifiques ont déjà utilisé l'hydrogel pour refroidir les surfaces, dit Grossman, "mais ce qui n'a pas été fait, c'est d'ajouter un autre matériau par-dessus qui a une utilisation très spécifique".

Bien que l'hydrogel et l'aérogel ne soient pas nouveaux, les combiner de cette manière l'est, explique Kyoo-Chul Kenneth Park, ingénieur à la Northwestern University qui n'a pas participé aux travaux. "Je n'ai moi-même pas pensé à ce genre de combinaison de deux matériaux - c'est pourquoi je suis très excité de voir cet article." Comme Grossman, Park se tourne vers les plantes et les animaux pour inspirer ses recherches. Parce que la création est translucide, Park est optimiste qu'elle pourrait être utilisée pour isoler des surfaces comme les fenêtres.

Grossman pense que la technologie pourrait être appliquée à de nombreux domaines nécessitant un refroidissement passif, ce qui signifie qu'aucune énergie externe n'est nécessaire pour alimenter le processus. Les applications possibles incluent l'isolation du stockage des aliments, des fournitures médicales et des bâtiments.

Mary Ann Meador, professeure d'ingénierie à l'Université d'Akron et ancienne scientifique de la NASA qui n'a pas participé aux travaux, affirme qu'un obstacle à la mise en œuvre de ce type de technologie est la nécessité de garder l'hydrogel humide. Parce que l'hydrogel tire sa puissance de l'eau, une fois que cette eau s'est évaporée, le matériau ne refroidit plus la surface sur laquelle il se trouve. Alors que les chameaux peuvent simplement transpirer pour reconstituer l'humidité de leur peau, pour être utile, le gel doit être régulièrement rechargé avec de l'eau - un problème que Grossman et son équipe s'efforcent de résoudre. Si ce type de système à deux couches pouvait être ravivé avec de l'eau de pluie ou de la condensation, par exemple, son pouvoir de refroidissement pourrait être infini.

Le processus complexe utilisé pour fabriquer l'aérogel signifie qu'il est actuellement plus cher que les autres formes d'isolation sur le marché - 1 $ par centimètre cube - bien que Grossman soit optimiste sur le fait que les techniques de fabrication peuvent réduire les coûts à l'avenir. Alors que l'hydrogel est spongieux et flexible, l'aérogel de silice traditionnel est rigide et fragile. La couche supérieure ferme présente un autre obstacle à la mise en œuvre de cette technologie dans des produits tels que les vêtements ou l'isolation des bâtiments, car le matériau s'effrite facilement, bien que Meador et d'autres créent des aérogels flexibles.

Ensuite, Grossman travaille à la création d'une troisième couche au-dessus de l'aérogel qui agit comme un interrupteur pour allumer et éteindre le système. À certaines températures, la troisième couche permettrait l'évaporation, mais à des températures plus basses, lorsque le refroidissement n'est pas nécessaire, l'interrupteur se fermerait, empêchant une perte d'eau inutile.

Selon Park, l'une des raisons pour lesquelles personne n'avait pensé à combiner l'hydrogel et l'aérogel est peut-être que ce travail combine deux domaines différents de la science des matériaux.

"Parfois, nous avons des obstacles mentaux ou physiques à surmonter pour pouvoir connecter des matériaux ou des systèmes très différents. Mais ces auteurs pourraient en fait surmonter cet obstacle en s'inspirant de la nature", explique Park. "Je pense que c'est la beauté de la recherche bioinspirée."

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Corryn Wetzel | | EN SAVOIR PLUS

Corryn Wetzel est une journaliste scientifique indépendante basée à Brooklyn. Son travail est également apparu dans le magazine Audubon, National Geographic et d'autres.