De nos jours, la médecine est à la recherche de nouveaux composants, capables de refermer des incisions lors d’opérations, qui ne craignent pas l’humidité et qui ne nécessiteraient pas une nouvelle intervention afin de les retirer après cicatrisation. Ainsi, le gecko est un terme général pour désigner les reptiles de la famille des Gekkonidae. La plupart des geckos arboricoles (1) présentent des lamelles adhésives sous les doigts, qui leur permettent de grimper sur toutes les surfaces, y compris les plus lisses. Ils peuvent ainsi marcher sur un plafond sans problème. Par ailleurs, Aristote observait déjà au IVème siècle avant J-C la capacité des geckos à se déplacer le long d’un tronc d’arbre dans toutes les directions, même la tête en bas. En effet, la force adhésive qui leur permet de marcher sur les murs et les plafonds est tellement forte, qu'un gecko adulte pesant 100 grammes peut tenir au mur avec un seul doigt sans risque de déraper. Mais comment le gecko peut-il s'accrocher à n'importe quelle surface aussi aisément?
Le Gecko
Tout d’abord, cette étrange propriété est due aux micro-poils que le gecko possède sous ses pattes, les setaes. Un setae (27) est composé de kératine, une protéine (26) riche en soufre constituée de trois chaînes torsadées de polypeptides (assemblages d'au moins dix acides aminés) eux-mêmes enroulés en hélice. Un setae mesure environ une dizaine de microns de diamètre. On en trouve environ 500 000 par doigt (soit
5 000 par mm²). La fin de chaque setae se scinde elle-même encore en une centaine de poils plus fins appelés spatulaes. Un spatulae a une centaine de nanomètres de diamètre et se termine en structure de spatule. Les setaes du gecko sont flexibles (105 pascals) alors que les spatulaes, fibres de β-kératine (2) situées à l’extrémité des setaes, sont rigides (109 pascals). En effet, selon le module de Young (14) plus la valeur en pascal est élevée, plus l’objet est rigide. De plus, la rigidité des fibres de β-kératine est surprenante. Il parait étrange de penser que les spatulaes puissent permettre au gecko d’adhérer alors qu’elles sont non adhésives selon le modèle de Young. C’est au contraire un avantage pour le gecko, car la flexibilité des setaes va permettre une maximisation du contact entre la patte du gecko et la surface.
Les spatulaes, qui finissent en structure de spatule, forment au contact d'une paroi, des liaisons entre les molécules de la spatulae et celles de la paroi. C’est à ce niveau qu’interviennent les forces de Van der Waals. (6)
I. Structure des pattes du Gecko.
II. Interactions de Van der Waals.
En outre, l’électronégativité (4) est la grandeur relative qui traduit l’aptitude d’un atome A à attirer dans sa direction le doublet d’électrons qui l’associe à un atome B dans une liaison covalente. Ainsi, plus l’électronégativité d’un atome est élevée, plus celui-ci attire les électrons. De plus, une liaison entre deux atomes A et B est polarisée (20) si ces deux atomes ont une électronégativité différente . Plus la différence d’électronégativité entre ces deux atomes est importante, plus la liaison est polarisée. Les forces de Van der Walls sont de nature électrostatique. Elles sont responsables des liaisons intermoléculaires de faible intensité.
Contrairement aux autres êtres vivants, lorsque le gecko pose ses pattes sur une surface donnée, la structure et le mouvement de coulissage propres à ses pattes font qu’un maximum de molécules (près de 99%) entrent en contact avec cette surface. La surface de contact est tellement grande que, lorsque sa patte est sur un matériau solide, elle « se lie » à ce dernier. C’est-à-dire qu’elle est considérée comme faisant partie du solide, d’où l’apparition de ces forces, ou ces interactions de Van Der Waals, responsables de la cohésion des solides moléculaires.
Ces liaisons fonctionnent d’après un principe assez simple : à travers les mouvements du nuage d’électrons autour du noyau, il se produit par instant des inégalités entre les deux côtés de l’atome (l’un sera chargé positivement δ+ et l’autre négativement δ-). Or, si un côté chargé positivement du spatulae du gecko rencontre un côté chargé négativement de la surface, alors ils s’attireront par le principe de la polarité. C’est de là que vient le pouvoir adhésif puissant du gecko. De plus, la taille des poils permet à ces derniers d’être très proches des molécules du support, et donc, d’améliorer l’action des forces de Van der Waals. Sur les surfaces humides, des forces de succion collent les poils à la surface. En outre, il faut une forte pression pour provoquer l’adhérence puis une forte traction pour la faire cesser. Or, on sait que le gecko peut courir en posant ses pieds plus de vingt fois par seconde, et si ce mécanisme nécessitait beaucoup d’énergie, l’animal serait vite épuisé, ce qui n’est pas le cas. En effet, les forces de Van der Waals, ne fonctionnent que dans un sens, et du fait de leur faible intensité le gecko n’a aucun mal à déplacer ses pattes : les poils se tordent, les liaisons se rompent, et l’adhérence disparaît. Par ailleurs, plus l'animal est corpulent, plus il a besoin de setaes et plus elles sont fines. C'est pour cela que le gecko, (l'animal le plus lourd utilisant ce principe d'adhésion), possèdent des setaes qui se redivisent en une centaine de spatulaes afin d’augmenter le nombre de liaisons de Van der Waals. Une liaison seule n'occasionne qu'une infime force d'adhésion mais multipliée par le nombre de setaes sur chaque doigt, elles donnent des forces d'adhésion incroyables.
Ainsi, cette capacité d’adhésion si puissante a beaucoup inspiré les chercheurs pour développer de nouveaux produits. En 2002, le biologiste Kellar Autumn, du Lewis & Clark College de Portland (États-Unis,) publie ses recherches sur le gecko et rend ainsi accessible une base de données solide sur laquelle les ingénieurs peuvent s'appuyer. De plus, le premier ruban adhésif sur le modèle de la patte du gecko est élaboré par une équipe de chercheurs britanniques de Manchester, sous la direction du Pr. Greim, un an plus tard. Par ailleurs, le MIT (Massachussetts Institute of Technologie) développe actuellement un ruban adhésif utilisable dans la chirurgie pour refermer des incisions ou colmater une perforation (comme au niveau du cœur, des poumons ou de la vessie). La particularité de ce ruban est son auto-biodégradabilité : en recouvrant les poils de polymère d'une glue à base de sucre on obtient un ruban adhésif qui est automatiquement éjecter par le corps alors que pour l'instant il faut réintervenir pour enlever le matériel qui sert à colmater. Le ruban adhésif chirurgical devrait pouvoir être utilisé d'ici 2 à 5 ans...
Gecko
Détail des lamelles adhésives sous les doigts d'un gecko
Schéma représentant les liaisons moléculaires de Van der Waals
(En bleu les noyaux des atomes et en jaune leurs électrons)
Observation des poils du gecko à différentes échelles
Vidéo: Comment les geckos défient-ils la gravité?