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Bonjour, nous sommes CoreSpin, une équipe de 14 étudiants de l’Université de Maastricht (Pays-Bas), représentant 16 nationalités et des parcours variés en biologie, chimie, ingénierie et informatique. Animés par la curiosité et une volonté commune de combler le fossé entre le laboratoire et le monde réel, nous explorons la manière dont la biologie peut transformer l’ingénierie.
Notre projet introduit une approche biologique dans un domaine qui y a rarement recours : le génie thermique. Nous développons une nanocouche thermoconductrice destinée à revêtir les surfaces d’échange thermique afin de lutter contre l”encrassement biologique ainsi que l’accumulation de poussières et de sédiments.
L’ingénierie sous un autre angle : la biologie synthétique
La biologie synthétique transforme discrètement notre quotidien — de notre alimentation aux médicaments que nous utilisons. Elle consiste à reprogrammer des organismes naturels afin d’en améliorer les fonctions ou d’en créer de nouvelles. À la croisée de la biologie, de l’ingénierie, de la chimie, de la physique et de l’informatique, ce domaine rassemble plusieurs disciplines pour concevoir et développer des systèmes biologiques fonctionnels et finalisés.
Inspirée par la nature, la biologie synthétique ouvre des perspectives innovantes vers une économie plus durable et circulaire. En combinant des principes issus de disciplines multiples, elle permet de repenser la conception des matériaux et des systèmes — y compris dans des secteurs historiquement éloignés des approches biologiques.
Le génie thermique en est un exemple emblématique, où les concepts biologiques peuvent apporter des réponses nouvelles à des problématiques industrielles anciennes.
En nous inspirant des propriétés exceptionnelles de la soie d’araignée, nous concevons des protéines capables de se lier directement au cuivre. Nous affinons leurs séquences afin d’atteindre un équilibre optimal entre résistance mécanique, conductivité thermique et structure à l’échelle nanométrique.
Les échangeurs thermiques, pilier discret de la vie moderne
Pour identifier l’impact potentiel de notre innovation, nous nous sommes penchés sur l’une des technologies les plus essentielles et pourtant souvent négligées de notre quotidien : les échangeurs thermiques. Ils assurent le refroidissement des moteurs automobiles, le fonctionnement des réfrigérateurs, la régulation thermique des bâtiments et constituent la base des systèmes de refroidissement des centres de données. En réalité, plus de 90 % de la chaleur utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur thermique avant la fin du cycle de production. Ces équipements sont donc indispensables non seulement au bon fonctionnement de nombreux systèmes, mais aussi à l’amélioration globale de l’efficacité énergétique.
Lors de la visite du centre énergétique de notre hôpital local, nous avons échangé avec des techniciens et des responsables qui nous ont exposé l’un des principaux défis du secteur : l’encrassement des échangeurs thermiques. Cette rencontre a rendu le problème très concret et a confirmé la pertinence industrielle de notre projet.
Le problème : bactéries, poussières et sédiments sur les surfaces d’échange
Les échangeurs thermiques liquide-air transfèrent la chaleur d’un fluide vers l’air ambiant. Toutefois, leur fonctionnement en environnement ouvert, exposé aux poussières, particules et bactéries, les rend particulièrement vulnérables au bio-encrassement, à la corrosion et à la sédimentation. Les bactéries peuvent adhérer aux surfaces conductrices et former une couche visqueuse appelée biofilm. Bien que cela puisse sembler anodin, il a été démontré que le bio-encrassement sur le cuivre réduit drastiquement la conductivité thermique. Un biofilm d’une épaisseur équivalente à un cheveu peut diminuer le transfert thermique jusqu’à 98 %. De plus, ces micro-organismes favorisent la corrosion naturelle, dégradant progressivement la surface du matériau et réduisant l’efficacité thermique de plus de 20 %. L’accumulation de poussières et de sédiments peut entraîner une perte supplémentaire de 30 % de la conductivité thermique.
Pris ensemble, ces phénomènes perturbent le fonctionnement normal des échangeurs thermiques et entraînent une chute significative des performances. Pour compenser, les systèmes doivent fonctionner plus intensément, augmentant la consommation énergétique et les émissions de gaz à effet de serre.
Les méthodes de nettoyage actuelles n’apportent souvent qu’une solution temporaire et reposent sur des produits chimiques agressifs, coûteux en ressources et présentant des risques pour la santé. La maintenance entraîne également des temps d’arrêt et des coûts d’exploitation élevés. En conséquence, de nombreuses entreprises préfèrent remplacer les composants usagés plutôt que de les entretenir, ce qui accentue le gaspillage de ressources et la production de déchets.
La solution : allier nature et technologie pour un avenir plus efficace
Pour dépasser les limites des méthodes de nettoyage et de maintenance existantes, nous avons exploré des matériaux biologiques capables d’offrir à la fois une excellente performance thermique et des propriétés auto-nettoyantes. La soie d’araignée s’est imposée comme un modèle naturel idéal pour répondre à ces exigences multifonctionnelles.
Les araignées produisent différents types de soie, chacun ayant une fonction spécifique dans la toile. Parmi eux, la soie de traîne — également appelée soie ampullaire majeure — retient particulièrement l’attention. Élément porteur de la toile, elle contient des protéines uniques qui lui confèrent des propriétés remarquables : une résistance comparable à celle de l’acier, une ténacité trois fois supérieure à celle du Kevlar et une élasticité cinq fois plus élevée que le nylon. La soie d’araignée présente également une conductivité thermique étonnamment élevée, proche de celle du cuivre.
Fixation des protéines sur les surfaces en cuivre
Malgré ses excellentes propriétés mécaniques et thermiques, la soie d’araignée naturelle — composée de protéines appelées spidroïnes — ne se lie pas spontanément aux métaux, ce qui constitue une contrainte majeure pour notre application. Afin de transposer les performances de la soie vers un revêtement fonctionnel, il était indispensable d’ancrer ces protéines directement sur des surfaces en cuivre, choisies pour leur excellente conductivité thermique et leur structure cristalline stable.
Pour y parvenir, nous avons introduit un résidu de cystéine supplémentaire dans la séquence protéique. Le groupement thiol de cet acide aminé forme une liaison covalente cuivre–soufre, créant ainsi un lien moléculaire direct entre la couche protéique et la surface métallique. Cette liaison est essentielle au couplage phononique, c’est-à-dire au transfert de l’énergie thermique du cuivre vers les fibrilles de spidroïne. Sans cette connexion, des micro-interstices subsisteraient entre le métal et la couche protéique, piégeant de l’air et transformant le revêtement en barrière isolante plutôt qu’en couche conductrice.
En plus d’assurer un transfert thermique efficace, cette fixation covalente contribue à la formation de la structure de surface nanométrique responsable des propriétés antibactériennes du revêtement.
Effet auto-nettoyant : quand la topographie de surface élimine les bactéries et repousse la poussière
Une fois les protéines solidement liées à la surface du cuivre, l’étape suivante a consisté à exploiter leur structure pour leur conférer des fonctions supplémentaires. En concevant la topographie nanométrique du revêtement, nous avons cherché à reproduire des surfaces naturelles capables de conserver leurs performances thermiques tout en limitant la prolifération bactérienne.
Nous nous sommes de nouveau tournés vers la nature, en particulier vers les ailes de libellules et de cigales. Ces insectes possèdent des surfaces nanostructurées qui empêchent naturellement l’adhésion bactérienne grâce à un principe d’exclusion dimensionnelle : lorsque les structures de surface sont plus petites que les cellules bactériennes, la surface disponible pour l’adhésion est fortement réduite.
Leurs ailes sont recouvertes d’un réseau hautement ordonné de nanopiliers perpendiculaires à la surface. Lorsque des bactéries tentent de s’y fixer, ces piliers étirent et rompent la membrane cellulaire, entraînant la lyse des cellules. Ce mécanisme purement physique permet à notre nanocouche de rester antibactérienne sans recourir à des agents chimiques ou à des antibiotiques.
Il est également supposé que ce principe s’applique aux poussières et aux sédiments. La structure régulière des nanopiliers limite leur dépôt, conférant ainsi au revêtement un effet auto-nettoyant.
Le prototype : un banc d’essai proche des conditions réelles
En nous appuyant sur ces observations issues des nanostructures naturelles, nous avons intégré notre revêtement bio-ingénieré dans un dispositif expérimental. Ce prototype a été conçu pour évaluer de manière quantitative la conductivité thermique, la résistance à l’encrassement et les performances antibactériennes du revêtement dans des conditions d’échange thermique représentatives d’applications industrielles réelles.
Le dispositif expérimental compare l’efficacité du transfert thermique de plaques d’échange en cuivre selon trois configurations :
- cuivre pur non traité
- cuivre recouvert d’un biofilm
- cuivre revêtu de protéines de soie d’araignée modifiées
L’objectif est de simuler des conditions d’encrassement réalistes dans des échangeurs liquide-air et de mesurer l’impact des revêtements de surface sur les performances thermiques.
Le montage expérimental est divisé en trois parties : le système de calorimétrie, un couvercle d’échangeur thermique spécifique et le contrôle du flux d’air et de l’environnement.
Système de calorimétrie
Le calorimètre est l’un des équipements thermodynamiques les plus simples utilisés en expérimentation. Il se compose d’un récipient en matériau isolant et sert de réservoir thermique principal. L’expérience débute par le remplissage du récipient avec de l’eau à 100 °C, les mesures étant effectuées entre 80 °C et 40 °C afin de garantir un gradient thermique initial constant.
Une sonde de température, avec une précision de ±0,1 °C, est immergée dans l’eau pour enregistrer en continu la température. Le récipient est ensuite fermé par un couvercle spécialement conçu, qui limite les pertes par évaporation et joue le rôle d’échangeur thermique entre l’eau et l’air ambiant.
Assemblage de l’échangeur thermique
Le couvercle a été conçu comme une interface modulaire de transfert thermique, optimisée pour les essais de protéines dans des conditions d’échange réalistes. Il se compose de trois éléments usinés avec précision :
- 15 tiges en aluminium filetées M4 de 84 mm, chargées de transférer l’énergie thermique de l’eau vers la surface du couvercle. L’aluminium a été choisi pour son excellent rapport conductivité thermique/coût.
- Un couvercle en aluminium usiné sur mesure, comportant 15 taraudages pour les tiges et six rails fraisés sur la face supérieure, assurant un échange thermique efficace entre les tiges et les plaques.
- Six plaques d’échange thermique en cuivre de 1 mm d’épaisseur, positionnées dans les rails fraisés afin de transférer la chaleur vers l’air ambiant.
Toutes les interfaces de contact entre les tiges, le couvercle et les plaques de cuivre sont assemblées à l’aide de pâte thermique et d’un adhésif haute température afin de réduire la résistance thermique de contact et d’améliorer l’efficacité de conduction.
Philosophie de conception et contraintes
La conception du couvercle a privilégié la fabricabilité et la modularité. Compte tenu des ressources financières limitées du projet, nous avons opté pour des matériaux standard, disponibles dans le commerce. Seul le couvercle a nécessité un usinage CNC spécifique, facilitant ainsi la reproductibilité et la mise à l’échelle à coût maîtrisé.
Les principaux critères de conception incluaient :
- la compatibilité avec le calorimètre standard, grâce à une interface à double diamètre (100 mm extérieur, 75 mm encastré) assurant une étanchéité thermique efficace
- une disposition des tiges par le bas afin de garantir un transfert thermique homogène depuis le fluide vers le couvercle conducteur
- une configuration de plaques en cuivre ajustable et remplaçable, permettant de faire varier le nombre de plaques en parallèle.
Considérations expérimentales
Dans le dispositif expérimental, les plaques de cuivre servent de surfaces d’essai pour l’évaluation des protéines anti-encrassement et conductrices de chaleur. Selon le protocole, elles sont :
Depending on the experiment these plates will be:
- laissées non traitées comme échantillons de référence
- volontairement encrassées par des biofilms et des sédiments pour simuler une contamination réelle
- revêtues de protéines modifiées afin de comparer les performances thermiques et la résistance à l’encrassement
Cette conception modulaire et optimisée sur le plan thermodynamique permet à notre équipe d’évaluer quantitativement l’impact des revêtements biologiques sur le transfert thermique — une première étape vers des matériaux bio-inspirés durables et performants pour les échangeurs thermiques.
Contrôle du flux d’air et de l’environnement
L’ensemble du dispositif d’échange thermique est placé dans une enceinte plastique fermée afin de réduire les sources d’erreurs imprévues. Cette enceinte est installée sous une hotte aspirante, garantissant une température et une humidité constantes à l’entrée du flux d’air. Un ventilateur axial à courant continu est utilisé pour augmenter le débit d’air à travers les plaques de cuivre et simuler une convection forcée en conditions réelles.
Deux capteurs de surveillance sont positionnés entre le ventilateur et les plaques conductrices : un capteur de température pour contrôler la température de l’air entrant et un capteur de pression pour vérifier la constance du débit volumique. Cette configuration permet de quantifier précisément l’absorption thermique côté air tout en assurant des conditions limites stables entre les essais..
Du prototype à l’application industrielle
À ce stade, nous avons réussi à exprimer nos protéines modifiées et à les fixer sur des surfaces en cuivre. La prochaine étape consistera à évaluer les propriétés antimicrobiennes de la nanostructure et à étudier sa montée en échelle.
Grâce à notre système prototype modulaire, nous testerons ensuite la conductivité thermique de plaques de cuivre revêtues, exposées à des conditions contrôlées de flux d’air, d’humidité et d’encrassement, afin de reproduire les contraintes réelles d’exploitation. Cela nous permettra de quantifier les gains en efficacité thermique, en résistance au bio-encrassement et en durabilité par rapport à des surfaces non traitées ou encrassées.
À terme, nous prévoyons d’appliquer notre revêtement protéique à des échangeurs thermiques à l’échelle industrielle afin d’évaluer son impact sur les performances thermiques dans des systèmes réels et de valider son utilisation dans des installations HVAC et des centres de données. En introduisant une technologie totalement nouvelle dans un secteur qui n’avait jusqu’ici jamais envisagé de solution biologique pour corriger ses limites, CoreSpin ambitionne de rendre l’avenir énergétique plus efficace.
Quel est le projet le plus marquant à l’interface entre ingénierie et biologie auquel vous avez participé ou que vous avez découvert ? Partagez votre expérience dans les commentaires !
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