Remplacer l’amortisseur gélatineux d’un disque intervertébral endommagé, absorber de l’huile renversée ou filtrer le dioxyde de carbone dans l’air: les arbres nous offrent un matériau écologique capable de remplir toutes ces missions – la nanocellulose. Des champignons veillent à ce que le bois colle mieux ou produise un plus beau son. L’Empa est l’un des leaders mondiaux dans la recherche sur les aptitudes exceptionnelles de ce matériau.

La passion du bois: Tanja Zimmermann, directrice du laboratoire de la recherche appliquée sur le bois, et son collègue Sebastien Josset.

Même avec un tronc relativement mince, un arbre de 30 mètres de hauteur résiste au vent. Pour comprendre ce phénomène étonnant, Tanja Zimmermann a consacré des années à étudier la structure du bois en profondeur. Elle est aujourd’hui à la tête du département de recherche appliquée sur le bois à l’Empa à Dübendorf. «La cellulose est à l’origine de la résistance du bois: un excellent matériau de construction léger», explique l’experte. Si on broie de la cellulose jusqu’à ce que ses fibres individuelles mesurent moins de 100 nanomètres d’épaisseur, les propriétés mécaniques du matériau sont encore meilleures, car les erreurs ont été éliminées. «Au départ, nous avons utilisé ces nanofibres pour renforcer des matières (bio)plastiques», raconte Tanja Zimmermann. «Nous avons alors remarqué que la cellulose présentait un potentiel encore bien supérieur.»

Si on mélange de l’eau avec 2% de son poids en nanocellulose, on obtient une gelée solide qui pourrait donner une matière extrêmement bien tolérée dans le domaine biomédical. En collaboration avec l’EPFL, les chercheurs de l’Empa ont développé un hydrogel de nanocellulose capable de remplacer le noyau gélatineux des disques intervertébraux. La dégradation du noyau gélatineux provoque souvent des maux de dos, voire des hernies discales. Les scientifiques de l’EPFL cherchent à présent à introduire cet hydrogel dans la colonne vertébrale et étudient son comportement en pratiquant des essais sur des queues de bovins morts. Les cellules sont encore actives dans les déchets d’abattoir frais, c’est pourquoi les résultats attendus sont importants pour une application future sur l’être humain. «Nous avons déjà publié et breveté notre découverte», annonce Tanja Zimmermann. «Mais il faudra sûrement encore attendre un certain temps avant qu’elle ne soit effectivement utilisée en médecine.»

Exposition aux intempéries d’un revêtement bois avec nanocellulose conçue à cet effet. Sur la photo: Martin Arnold, directeur du groupe technologie du bois/technologie des surfaces.

La recherche de l’Empa est généralement axée sur cinq thèmes prioritaires: les matériaux nanostructurés, la construction durable, la santé et la productivité, les ressources naturelles et les polluants, ainsi que les technologies énergétiques. «La nanocellulose peut être employée dans tous ces domaines, elle peut intervenir dans l’ensemble de la recherche de l’Empa», déclare Tanja Zimmermann avec enthousiasme: «j’adore ce matériau. Nous avons d’innombrables projets fascinants pour lesquels nous souhaitons recourir à la nanocellulose.»

Matériau miracle contre la pollution par les hydrocarbures

Cette découverte a fait les gros titres d’abord en 2014: des éponges en nanocellulose capables d’absorber du pétrole déversé dans l’eau. En retirant l’eau de la nanocellulose, on obtient un matériau particulièrement absorbant, qui pompe cependant l’eau autant que l’huile. C’est seulement lorsque l’équipe de recherche mélange un additif au gel de départ que celui-ci perd sa propriété hydrophile et n’absorbe plus que l’huile. Lors des essais en laboratoire, l’éponge a pompé 50 fois son propre poids en huile en l’espace de quelques secondes. Elle a également pu être lavée puis réutilisée jusqu’à dix fois.

«Contrairement à d’autres groupes, nous avons utilisé un produit chimique relativement simple et écologique à fabriquer», explique Tanja Zimmermann. Si la découverte de l’Empa a suscité un immense intérêt, notamment celui de la police du lac de Zurich, il a fallu un certain temps pour trouver une entreprise désireuse d’investir dans la production de ce nouveau matériau à l’échelle industrielle.

L’éponge de cellulose modifiée peut absorber cinquante fois son propre poids en huile.

C’est désormais l’entreprise Wicor Weidmann de Rapperswil-Jona qui envisage de créer des produits commercialisables à partir de l’éponge en nanocellulose de l’Empa. «Nous maîtrisons le matériau lui-même et le procédé chimique nécessaire», explique Tanja Zimmermann. Cependant, il faut rendre le processus de séchage plus économique, car la lyophilisation utilisée en laboratoire est trop chère pour une production de masse. La scientifique est toutefois convaincue qu’il est possible de trouver une méthode moins coûteuse. Si l’éponge en nanocellulose arrivait sur le marché, elle pourrait être utilisée pour absorber de l’huile de moteur ou tous types de solvants. Si l’on ne souhaite pas laver et réutiliser la nanocellulose, on peut la brûler sans problème. Tanja Zimmermann ignore encore si cette technologie permettra de lutter à l’avenir contre les grands déversements de pétrole dans la mer. «Je préfère ne pas faire trop de promesses à ce sujet.»

Un réseau de minuscules spaghetti

Le matériau au cœur des expériences des chercheurs de l’Empa se compose de fibres de 5 à 100 nanomètres de large, sur une longueur de l’ordre du micron. «Il s’agit d’un matériau hautement réticulé, semblable à des spaghetti, ce qui équivaut à une absence de nanoparticules susceptibles de nuire à la santé», explique l’experte. La nanocellulose permet de fabriquer des éponges, des gels, des mousses ou des membranes, capables par exemple de débarrasser l’eau de certains contaminants tels que les acides humiques ou les métaux lourds, ou de filtrer le dioxyde de carbone de l’air. Tel est l’objectif d’un dispositif développé par Climeworks, une spin-off de l’ETH Zurich.

Une mousse en nanocellulose spécialement conçue à cet effet capte le dioxyde de carbone compris dans l’air qui la traverse et ne le libère que si elle est chauffée entre 70 et 90 degrés. Le CO2 ainsi obtenu peut être utilisé dans la production de boissons ou pour accélérer la croissance des plantes cultivées sous serre. Ce capteur de CO2 est prêt à être commercialisé. «Notre nanocellulose est en compétition avec un matériau artificiel», révèle Tanja Zimmermann, en espèrant que la version écologique de Dübendorf l’emportera.

Francis Schwarze et Mark Schubert, chercheurs sur le bois à l’Empa à Saint-Gall, misent eux aussi sur la «chimie verte»: ils étudient l’utilisation des champignons en tant qu’auxiliaires afin de modifier et de fonctionnaliser le bois. «A ma connaissance, c’est unique au monde», déclare Francis Schwarze, également professeur de botanique forestière à l’Université de Fribourg-en-Brisgau. «Nous exploitons pour cela tous les états du champignon, du mycélium aux enzymes ou aux polymères produisant le champignon, en passant par les fructifications et les spores.» Isolée pour la première fois au XIXe siècle dans la sève de l’arbre à laque japonais, une enzyme appelée laccase s’est révélée particulièrement avantageuse.

Les laccases réagissent avec de nombreuses molécules, n’ont besoin que d’oxygène et produisent de l’eau comme unique résidu. «Grâce aux laccases, nous pouvons lier diverses molécules à la surface du bois et ainsi fonctionnaliser le bois de manière économique et écologique», indique Mark Schubert. Cela permet notamment de rendre la surface du bois hydrofuge de manière durable, même si l’effet inverse peut aussi être obtenu grâce à cette enzyme: les surfaces de bois faciles à mouiller deviennent ainsi idéales à coller. Dans un projet en collaboration avec le fabricant de panneaux de fibres Pavatex, l’équipe de l’Empa utilise des laccases pour produire des produits plus écologiques. «Grâce aux laccases, le liant adhère mieux. Soit on obtient une meilleure tenue, soit on économise du liant», explique le scientifique avec enthousiasme. «C’est formidable.»

Bois de résonance idéal

Mais c’est avec leur affinage du bois de résonance que les chercheurs ont rencontré le plus grand intérêt public. «Dans ma thèse, j’ai déjà examiné la façon dont différents champignons dégradent le bois», raconte Francis Schwarze. Il a découvert une souche de champignon qui pousse dans les troncs d’arbres et rend le bois plus léger, sans pour autant altérer la vitesse du son dans le matériau. Le bois traité par ce champignon pourrait se prêter à la lutherie, a pensé le scientifique, «car un bois de résonance de qualité doit être léger.» Ainsi, le bois utilisé par Antonio Stradivari pour son illustre instrument avait poussé entre 1645 et 1715 durant le minimum de Maunder, une période aux hivers plus longs et aux étés plus frais, raison pour laquelle, outre une grande résistance à la flexion, ce bois présentait une faible densité.

Lors d’un test à l’aveugle au cours duquel le célèbre violoniste Matthew Trusler jouait de différents instruments – dont un Stradivarius – derrière un rideau, le verdict des 200 auditeurs a été sans appel: le violon «Opus 58», fait d’un bois traité pendant neuf mois avec un champignon, avait le plus beau son. «J’étais assis là en train de me dire qu’il devait s’agir du Stradivarius», se souvient Francis Schwarze au sujet du test réalisé en 2009. Depuis lors, les chercheurs ont accéléré et standardisé cette méthode de fabrication du bois de résonance. «Le processus est désormais reproductible et la qualité assurée», déclare le chercheur de l’Empa. «Nous comprenons à présent bien mieux pourquoi le son de ces instruments traités par des champignons ressemble tant à celui d’un violon de plus de 300 ans.»

Suite au succès d’«Opus 58», c’est la Fondation Walter Fischli qui a repris le financement du projet. Elle a pour objectif d’encourager les jeunes musiciens. Les premiers violons traités par des champignons devraient arriver sur le marché d’ici un à deux ans. Ils coûteront 5000 à 10 000 francs de plus qu’un violon traditionnel, pour lequel il faut déjà débourser entre 15 000 et 50 000 francs. Par rapport à un Stradivarius à deux millions de dollars, cette différence apparaît cependant modique. «Tout le monde peut entendre la différence entre un nouveau violon non traité et un instrument traité par des champignons», se réjouit Francis Schwarze en présentant pour preuve ses fichiers audio.