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L'étude, publiée dans PNAS, porte sur l'implication de la calcite contenant du magnésium dans les processus susmentionnés. Le magnésium est un élément métallique fort et léger qui joue de nombreux rôles dans le monde animal, y compris dans le corps humain. La calcite est un minéral très commun qui constitue environ 4 % de la masse de la croûte terrestre. Ce matériau est un composant essentiel de la biominéralisation, le processus par lequel les organismes forment diverses structures - perles, os, coquillages, etc. - à partir des matériaux dont ils disposent.

"Les processus de biominéralisation, explique le professeur Pokroy, permettent de construire des structures qui surpassent les produits artificiels issus de processus d'ingénierie sous de nombreux aspects, tels que la solidité et la résistance aux fractures. Il ne fait donc aucun doute que nous avons beaucoup à apprendre de ces processus biologiques et que nos découvertes peuvent conduire à des processus d'ingénierie améliorés dans divers domaines."

Dans le processus de biominéralisation, les organismes utilisent diverses stratégies pour produire des structures solides telles qu'un squelette externe. L'équipe du Technion et de l'ESRF a montré dans son étude que l'une des stratégies communes à cet égard est la sédimentation de nanoparticules de calcite riches en magnésium dans une substance déficiente en magnésium. Selon le professeur Pokroy, "nous avons découvert que ce phénomène se produit chez une grande variété de créatures, même des créatures de différents règnes du monde animal, et nous estimons qu'il est encore plus vaste que ce que nous avons découvert. Par conséquent, il est probable qu'il s'agisse d'un phénomène très général."

Dans l'étude actuelle, les chercheurs se sont concentrés sur neuf organismes différents appartenant à différents règnes et phyla, notamment des ophiures, des algues rouges, des étoiles de mer, des coraux et des oursins. Les deux principaux acteurs du processus sont, comme mentionné, le magnésium et la calcite. Les chercheurs ont découvert que la sédimentation des particules de calcite dans la substance pauvre en magnésium crée des efforts de compression dans les squelettes qui augmentent leur rigidité - sans qu'il soit nécessaire de recourir à la compression mécanique utilisée dans la production de matériaux similaires dans les processus d'ingénierie classiques.

Chez les étoiles fragiles, le processus de cristallisation unique a lieu dans les lentilles de calcite disséminées sur ses bras - une sorte d'ensemble d'yeux primitif mais efficace pour ses besoins. Ces lentilles, dont la nature est similaire à celle du verre trempé, concentrent la lumière du soleil sur les centres nerveux qui transmettent les informations au reste du corps par le biais du système nerveux. Contrairement au verre trempé que l'homme produit à haute température et sous pression, les lentilles fragiles des étoiles sont créées à la température donnée de l'eau et sans pression mécanique externe autre que la pression de l'eau. Une étape importante de ce processus est la transition de la calcite d'une phase amorphe (désordonnée) à une phase cristalline ordonnée.

Les algues rouges étudiées par l'équipe internationale de chercheurs sont des algues communes que l'on trouve dans les eaux peu profondes, où elles sont soumises aux pressions externes des vagues de la mer et doivent donc être résistantes aux déchirures et aux fractures. C'est pourquoi leurs cellules sont recouvertes de cristaux nanométriques de magnésium-calcite aussi résistants. Ces cristaux forment des microstructures creuses qui augmentent leur résistance et leur durabilité.

Bien que les ophiures et les algues rouges soient des créatures très différentes, elles présentent des aspects structurels communs, notamment la cristallisation de structures solides dans le processus de sédimentation de cristaux nanométriques riches en magnésium dans une substance caractérisée par de faibles niveaux de magnésium.

Les chercheurs ont constaté que ce processus de cristallisation améliore à la fois la dureté du matériau et sa résistance aux fractures. En outre, ils montrent dans l'étude que même une légère réduction de la teneur en magnésium dans la substance double la dureté du matériau de quelque 100 %.

L'étude a été soutenue par une subvention européenne du CER et a été menée en collaboration avec l'European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble, en France, et l'Argonne National Laboratory dans l'Illinois, aux États-Unis.

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