Avec sa nature composite vu précédemment, le fil de soie possède de nombreuses propriétés physiques exceptionnelles.
Voyons pour commencer son élasticité. Par définition, l'élasticité est une propriété physique d’un corps reprenant sa forme initiale après suppression de la sollicitation.Et bien c'est une élasticité prodigieuse que possède ce fil ! Rendez-vous compte, «la soie de l'épeire peut être étirée à 31 % de sa longueur initiale, contre seulement 16% pour le Nylon.» explique Yves Roisin, chercheur au Laboratoire de biologie animale et cellulaire de l'ULB.«Ce fil est […]assez élastique pour se déformer sans que la victime ne passe au travers» . C'est cette formidable élasticité qui permet à la toile de reprendre sa forme initiale après que l'insecte se soit projeté dedans.Étant deux fois plus élastique que le Nylon et quatre à sept fois plus que le Kevlar, ceux-ci n'ont plus qu'à aller se rhabiller !
Ce fil allie l'élasticité et la résistance. En effet la solidité du fil de soie d'araignée est étonnante ! Ce fil est virtuellement cinq fois plus résistant que l'acier. Voici des exemples frappant :L'araignée Nephila clavipes peut fabriquer une soie si solide que la toile peut carrément attraper un petit oiseau ! «Ce fil est suffisamment résistant pour arrêter un insecte volant à 30 kilomètres à l'heure.» explique Yves Roisin, chercheur au Laboratoire de biologie animale et cellulaire de l'ULB. Si l'on fabriquait avec ce fil de soie un câble de la grosseur du pouce, il pourrait permettre de soulever une dizaine d'autobus. Et "Des études ont montré qu'un câble tressé de fils de soie d'araignée qui aurait un diamètre d'un petit doigt pourrait arrêter un Boeing 747 en plein vol´, révèle Johan Mertens, professeur au Laboratoire d'écologie de l'université de Gand.
Il possède des propriétés de non torsion. Cela signifie que le fil amortit les forces de torsion. Cela signifie également que s'il a été tordu il reprend très facilement sa forme initiale, sans imprimer à l'araignée qu'il supporte, l'amplitude d'un mouvement de balancier. Cela confère au fil un haut coefficient d'absorption des oscillations. C'est une caractéristiques vitale pour l'araignée, en effet malgré les possibles perturbations ambiantes, elle reste stable au bout de bout de son fil vertical et ne suscite donc aucun mouvement pouvant attirer les prédateurs ou avertir les proies.
Il semblerait qu'au cours du temps la soie d'araignée ait évolué en un matériau dit à «auto-mémoire de forme», à cause des torsions et des oscillations répétées auxquelles elle a du faire face. Cela signifie que le fil n'a besoin d' aucun stimulus extérieur pour retrouver sa forme initiale. Une expérience menée par l'équipe d'Olivier Emile, du Laboratoire de physique des lasers de l’Université de Rennes (CNRS), consiste à faire subir une torsion de 90° à différents types de fils, auxquels sont attachés une petite masse, dont le poids équivaut à celui d'une araignée, puis de les lâcher.Le fil de Kevlar, qui est très résistant, fut suffisamment élastique pour se détendre, mais enregistra des oscillations sur toute sa longueur. Le fil de cuivre revint difficilement à sa forme initiale et se fragilisa . Le fil d’une araignée de jardin, l’Araneus diadematus, absorba les oscillations, garda ses propriétés de torsion et revint complètement à sa position originelle. «La soie d'araignée n'a besoin de rien, elle se remet en place naturellement», précise Olivier Émile.
Le Nitinol, un alliage nickel-titanium utilisé dans l’industrie, possède des propriétés similaires mais doit être chauffé à 90°C pour retrouver sa forme. Il possède donc une mémoire de forme mais pas automatique.
Il ne faut pas oublier sa faible masse volumique (1,3g/ cm3).
Nous avons tous déjà pu admirer une toile parée de perles d'eau. Ce placement est apparemment spécifique à la soie d'araignée, puisque celle du bombyx ne présente pas cette particularité.Lei Jiang et ses collègues, scientifiques du Laboratoire national pour les sciences moléculaires de Pékin, se sont penchés sur ce phénomène. Il résulte qu'au niveau microscopique le fil de soie ressemble à un collier de perles plates, serrées sur un fil. Ces "perles", des pelotes de nanofibres enchevêtrées, rétrécissent lorsque la vapeur d'eau se condense dessus.Elles se densifient et s'aplatissent, prenant de cette manière la forme d'un fuseau. Entre ces pelotes, les fibrilles sont alignées, ce qui offre une surface lisse à l'eau, qui va glisser vers les fuseaux.
La soie d’une toile d’araignée est sécrétée, nous l’avons vu, par une glande séricigène, et cette soie est soluble dans l'eau et forme de minuscules gouttelettes. L’araignée utilise une technique de filage (l'araignée se sert de ses pattes postérieures pour entrer en contact avec les gouttelettes et exercer ainsi des pressions sur le fil), la soie liquide se transforme donc en un fil de soie solide et élastique. Cette transformation est permise par un étirement et une manipulation énergique des gouttes de soie par l’araignée.
Ce procédé passant d’une soie liquide à une soie solide , grâce à une pression de la part de l’araignée, rappelle fortement une substance appelée fluide non newtonien.
Les fluides non newtoniens sont des substances aux propriétés physiques et chimiques étonnantes. Ils sont sous l’apparence de fluides liquides, mais ils deviennent solides quand on y exerce une pression assez forte. (ce n'est pas une généralité, comme dans les cas du sang et du miel par exemple.)
Un fluide est dit non newtonien lorsque sa déformation (ou taux de cisaillement) n'est pas directement proportionnelle à la force qu'on lui applique. En somme, lorsque l’on y exerce une pression, sa réponse à cette contrainte exercée n'y est pas proportionnelle; c’est ce qu'y fait que ce fluide se solidifie. Il a alors un caractère rhéoépaississant car la viscosité de ce fluide augmente lorsque l'on augmente le taux de cisaillement.
Nous avons fait cette expérience chez nous.
La soie d’araignée a de nombreuses propriétés :
– le fil de soie de l'araignée a une résistance spécifique (1,3 GPa) plus grande que celle de l’acier et une résilience (16x104 J/kg) plus élevée que celle d’un polymère synthétique, tout en étant plus fin qu’un cheveu (0,02 µm)
Rappel:
Les polymères sont des systèmes formés par un ensemble de macromolécules de même nature chimique.
– ils sont moins résistants que le kevlar, mais plus extensibles.
– l’élasticité de la soie d' araignée est unique car peu de fibres possèdent une résistance à la tension comparable à celle de la soie d’araignée et peuvent subir un étirement de plus de 35 % avant de se rompre. Nous remarquons avec le tableau ci dessous que le kevlar a un pourcentage d'élongation de 2,4% alors que le fil d'araignée a un pourcentage d'élongation allant de 5 à 35%.
Le tableau ci-dessous établit la comparaison entre le fil de soie d’araignée, le kevlar et l’acier :
La flexibilité est donnée par le module d’élasticité* « E ». Il s’agit du rapport entre la tension et l’allongement, dans le domaine encore élastique d’une matière. Plus le module d’élasticité « E » est petit,plus la matière est flexible. Nous voyons donc, que le fil d'araignée a un rapport au module d'élasticité d'environ 1,7 fois plus important que celui de l'acier, il est donc presque 2 fois moins flexible, cependant il a un module d'élasticité d'environ 1,7 fois moins important que celui du Kevlar, il est donc presque 2 fois plus flexible.
L'énergie de rupture du fil de soie de l'araignée est 4 fois plus importante que celle du kevlar et 60 fois plus importante que celle de l'acier. L'énergie nécessaire à rompre le fil de l'araignée est donc grandement plus important.
L'élongation du fil d'araignée est d'environ 2 à 14,6 fois plus importante que celle du kevlar et de 3,6 à 25 fois plus importante que celle de l'acier. Il a donc une possibilité de s'allonger plus élevée que celle du kevlar et de l'acier.
