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May 14, 2023

Construire l'avenir avec des champignons

La quête de matériaux de construction renouvelables conduit les professeurs de génie civil

La quête de matériaux de construction renouvelables entraîne les professeurs de génie civil et d'architecture dans le monde inattendu des champignons.

Le professeur Zhao Qin (au centre) travaille avec des étudiants diplômés et de premier cycle pour créer un modèle holistique de mycélium de champignon au niveau moléculaire, donnant un aperçu du potentiel du mycélium pour des utilisations architecturales à grande échelle.

Lorsque Zhao Qin et Nina Sharifi sont arrivées à l'Université de Syracuse en tant que nouveaux membres du corps professoral, elles savaient chacune que la collaboration interdisciplinaire serait essentielle à leurs objectifs. Sharifi, professeur à l'École d'architecture, était enthousiasmé par la possibilité d'utiliser des matériaux renouvelables dans la construction de bâtiments. Qin, professeur de génie civil et environnemental, souhaitait explorer les utilisations structurelles des matériaux produits par les animaux, les plantes ou les champignons.

« Je n'arrêtais pas de penser : « Quel type de biomatériaux peut nous permettre de passer de l'étude des matériaux à l'échelle nanométrique aux applications de génie civil, comme les infrastructures ou les conceptions à grande échelle ?

Qin et Sharifi ont trouvé un terrain d'entente dans le mycélium, un biomatériau fongique ressemblant à une racine produit pendant la croissance des champignons. Le mycélium forme un réseau fibreux sous le sol et est essentiel à la croissance et à la santé des plantes. Ses brins se lient aux déchets végétaux, créant un composite extrêmement prometteur en tant que matériau de construction durable pouvant prendre la forme de mousse, de panneaux ou de briques pleines, aux propriétés isolantes.

Le mycélium est un liant, mais il a aussi cette résilience et cette force. Si vous changez la façon dont il est cultivé, il peut être incroyablement dense ou léger, mousseux et diaphane.

Les matériaux de construction conventionnels comme l'acier et le béton sont énergivores à produire et à transporter, tandis que les plastiques synthétiques sont fabriqués à partir de pétrole brut et que les adhésifs utilisés dans les panneaux de fibres peuvent libérer des toxines au fil du temps. Le mycélium de champignon, en revanche, est léger, biodégradable et non toxique, ainsi que solide, durable et rapide à se régénérer.

La recherche sur le mycélium en est à ses balbutiements, le domaine est donc mûr pour la découverte. Début 2020, le professeur d'architecture Daekwon Park a formé un groupe de recherche sur le mycélium avec Sharifi, ouvrant la porte à la collaboration de Sharifi avec Qin. Le groupe comprenait le professeur de biologie de Syracuse Scott Erdman et le professeur d'ingénierie mécanique et aérospatiale Jeongmin Ahn, qui étaient également impatients de découvrir les possibilités du mycélium. Qin a rejoint leur équipe, avec l'intention de fournir une compréhension plus approfondie grâce à des recherches au niveau microscopique.

En 2022, Qin a remporté le prix CAREER de la National Science Foundation (NSF), qui récompense les professeurs en début de carrière pour leurs recherches exceptionnelles. Avec une subvention de 600 000 $, il mène des recherches fondamentales qui pourraient éclairer les utilisations du mycélium par les architectes.

L'objectif de Qin est de développer un modèle holistique du mycélium et de sa fonction, en commençant par une compréhension des propriétés au niveau moléculaire. "Nous voulons générer des connaissances à partir de l'échelle fondamentale qui peuvent fournir un aperçu à plusieurs échelles et une" recette "fiable pour permettre à quiconque de produire des biomatériaux qui résoudraient des exigences à grande échelle", dit-il.

Des échantillons de mycélium poussent sur une couche de débris ligneux, et les chercheurs manipulent les conditions de croissance dans une chambre climatique pour produire les caractéristiques souhaitées.

Ses recherches portent à la fois sur des expériences physiques en laboratoire et sur la modélisation informatique. "Il y a beaucoup de variables", explique Qin, dont le laboratoire abrite une chambre climatique pour cultiver des échantillons de mycélium sur une couche de débris ligneux. Dans la chambre, il manipule des variables pour produire les caractéristiques souhaitées : température, humidité et niveaux de dioxyde de carbone ; différentes espèces de mycélium; et divers types de bois qui peuvent influencer la croissance du mycélium et les propriétés mécaniques du produit fini, telles que la densité, la légèreté ou la résistance.

Les étudiants diplômés et de premier cycle travaillent en étroite collaboration avec Qin sur ces expériences, testant différents types de matériel végétal sur lequel le mycélium peut se développer. "Nous utilisons du bois de chêne et des fibres de noix de coco pour faire pousser du mycélium et fabriquer des échantillons en forme d'os de chien pour les tests, car les fibres longues peuvent fournir des propriétés utiles lorsqu'elles sont combinées avec le mycélium", explique la doctorante Libin Yang.

Qin et son équipe examinent les échantillons de mycélium et de bois à l'aide d'un microscope électronique à balayage et d'un microscope à force atomique disponibles via le BioInspired Institute de l'Université, qui soutient la recherche sur les défis mondiaux en matière de santé, de médecine et d'innovation des matériaux. "Ce type d'équipement est coûteux pour un laboratoire individuel, mais je profite des installations partagées", explique Qin, qui utilise les images microscopiques pour comprendre comment les fibres de mycélium interagissent avec la fibre de bois.

Nous avons appris les uns des autres et nous travaillons en collaboration à plusieurs échelles.

Après avoir récolté les échantillons, l'équipe les chauffe et les comprime pour former un matériau dense et solide - les éléments de base pour des applications à plus grande échelle. Ils testent la résistance de ces échantillons en les étirant mécaniquement pour mesurer la quantité de force nécessaire pour les casser.

Tout au long du processus, ils utilisent un modèle basé sur les données qui suit le résultat de chaque expérience physique pour optimiser la conception. "Nous corrélons ces conditions contrôlées à la performance du matériau à la fin de la journée", explique Qin. "Une fois que nous sommes satisfaits des résultats prédits par le modèle, nous pouvons facilement ajuster les variables pour obtenir une carte qui nous indique la direction à suivre dans l'expérience."

Qin et l'étudiante au doctorat Libin Yang testent la résistance d'échantillons de mycélium à l'aide d'un équipement spécialisé qui mesure la quantité de force nécessaire pour les casser.

La recherche fondamentale de Qin met en lumière l'étendue des possibilités architecturales. "Il y a beaucoup à apprendre sur les filaments qui composent le mycélium - comment ils se développent, l'ordre des structures qu'ils créent", explique Sharifi. "Cela influence ce qui se passe à l'échelle d'une brique ou d'un matériau en feuille dans un bâtiment."

Sharifi décrit les propriétés du mycélium avec un sentiment d'admiration. "Le mycélium est un liant, mais il a aussi cette résilience et cette force. Si vous changez la façon dont il est cultivé, il peut être incroyablement dense ou léger, mousseux et diaphane."

Elle se souvient de son enthousiasme lors des premières conversations avec Park alors qu'ils discutaient de la gamme potentielle d'utilisations pratiques du mycélium. "Il a apporté tellement de bonnes idées sur la table : des structures déployables, des structures d'urgence ou l'idée de pouvoir transporter un bâtiment dans un sac à dos jusqu'à un site."

Park est également inspiré par la polyvalence du mycélium. "Il a cette qualité rebondissante, il peut donc être utilisé comme matériau d'abri anti-bombes", dit-il. Il peut également être utilisé pour prévenir l'érosion des sols. "Pour un sol instable, vous appliquez des déchets agricoles, puis vous y faites pousser du mycélium, et les fibres de mycélium maintiennent le sol ensemble", explique Park.

Une fois que nous sommes satisfaits des résultats prédits par le modèle, nous pouvons facilement ajuster les variables pour obtenir une carte qui nous indique la direction à suivre dans l'expérience.

La collaboration avec Qin élargit la compréhension du groupe sur la manière dont la manipulation des fibres de mycélium au niveau moléculaire peut influencer ses propriétés physiques à une échelle structurelle. "Nous avons appris les uns des autres et nous travaillons en collaboration à plusieurs échelles", déclare Sharifi. "Nous apprenons des résultats, et nous n'en sommes qu'au début."

Elisabeth Myers

Cette histoire a été publiée le 16 février 2023.

L'Université de Syracuse est une université de recherche internationale de premier plan, où la recherche universitaire couvre et unit un éventail complet de disciplines. Les professeurs et les étudiants collaborent pour produire des travaux de recherche, d'érudition et de création qui font progresser notre compréhension fondamentale des problèmes auxquels la société est confrontée et des solutions innovantes qui ont un impact au niveau communautaire, étatique, national et mondial.

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