La puce permet aux scientifiques d’étudier la formation de biociment en temps réel

Des scientifiques de l’EPFL et de l’Université de Lausanne ont utilisé une puce initialement conçue pour les sciences de l’environnement pour étudier les propriétés de formation du biociment. Ce matériau a le potentiel de remplacer les liants de ciment traditionnels dans certaines applications de génie civil.

La puce a la taille d’une carte de crédit et sa surface est gravée d’un canal d’écoulement mesurant un mètre de bout en bout et aussi épais qu’un cheveu humain. Les chercheurs peuvent injecter une solution à une extrémité du canal et, à l’aide de la microscopie accélérée, observer le comportement de la solution pendant plusieurs heures. Les scientifiques médicaux ont utilisé des puces similaires pour des applications de soins de santé, par exemple pour examiner comment les artères se bouchent ou comment un médicament se propage dans la circulation sanguine, tandis que les ingénieurs environnementaux les ont appliquées à l’étude des biofilms et des contaminants dans l’eau potable.

Aujourd’hui, une équipe d’ingénieurs civils du Laboratoire de mécanique des sols (LMS) de l’EPFL, en collaboration avec des scientifiques de la Faculté des géosciences et de l’environnement de l’Université de Lausanne (UNIL), a réorienté la puce pour comprendre les phénomènes complexes de transport-réaction impliqués dans la formation de nouveaux types de biociment.

Ariadni Elmaloglou, titulaire d’un doctorat. L’étudiante, avec Dimitrios Terzis, l’un de ses directeurs de thèse du Laboratoire de mécanique des sols (LMS) de l’EPFL, a injecté des solutions de biociment dans des copeaux microfluidiques ressemblant à différents types de sable pour voir comment les minéraux se forment et l’écoulement réagit. Outre les types de sable, les autres principaux ingrédients du biociment, le calcium et l’urée, sont restés les mêmes.

“Grâce à la puce, nous avons pu observer les variations de la répartition massique du biociment dans les différents mélanges”, explique Elmaloglou. “Par exemple, nous avons pu voir où les minéraux se sont formés et quels mélanges peuvent conduire à des propriétés mécaniques supérieures sur le long trajet d’écoulement. En raison de ses volumes miniaturisés, la puce nous permet d’effectuer plusieurs expériences avec différents mélanges afin de concevoir des protocoles de biocémentation efficaces. .”

Test d’un mètre de long

Les conclusions des ingénieurs viennent d’être publiées dans Rapports scientifiques. Il s’agit de la première étude à examiner la formation de biociment sur une longueur d’un mètre en temps réel, ce qui est important pour de nombreuses applications potentielles telles que la réparation de fissures, le stockage du carbone et l’assainissement des sols. Toutes les données ont été mises à disposition dans un format open source afin d’encourager d’autres recherches sur ce sujet.

Pendant ce temps, les ingénieurs de LMS ont déjà entamé la prochaine étape de leur étude. “La puce nous permet de tester facilement des biociments fabriqués avec des agrégats de matériaux recyclés – comme du verre, du plastique ou du béton concassé – plutôt que du sable”, explique Terzis. Ces biociments pourraient aider à atténuer l’empreinte carbone de l’industrie de la construction, voire révolutionner complètement l’industrie.

“L’industrie dépend encore fortement du béton, même si les ingrédients utilisés pour le fabriquer, en particulier le sable, sont de plus en plus difficiles à trouver. Notre étude montre qu’une approche interdisciplinaire peut grandement contribuer à changer cela. Mais nous devons être ouvert aux méthodes d’autres domaines de recherche.

Inventer de nouveaux biociments à l’EPFL

Pour son doctorat. thèse au LMS, Dimitrios Terzis a développé un nouveau type de biociment à base de bactéries et d’urée. Le processus implique l’utilisation de carbonate de calcium (CaCO₃) cristaux pour lier les particules de sol ensemble, au lieu de clinkers de ciment. Le résultat est un matériau biosourcé, simple d’utilisation, résistant et d’un coût assez faible par rapport aux liants existants, notamment le ciment, la chaux et les résines industrielles. Les résines en particulier peuvent devenir relativement instables à long terme, peuvent contaminer le sol avec des microplastiques ou des composés toxiques et peuvent augmenter l’alcalinité des eaux souterraines à des niveaux supérieurs aux limites acceptables.

Le biociment développé par l’EPFL peut être produit sur place à moindre coût et à température ambiante, avec seulement une petite quantité d’électricité nécessaire. Les opérateurs peuvent ajuster les niveaux de biocémentation à leurs besoins spécifiques. Si seulement une petite quantité de CaCO₃ est ajouté, les opérateurs obtiennent un résultat de type grès suffisamment résistant pour résister aux contraintes de cisaillement induites par les tremblements de terre pouvant entraîner la liquéfaction du sol.

D’autres applications peuvent aider à résoudre les problèmes de stabilisation des pentes ou à restaurer les fondations existantes. Si plus de CaCO₃ des bio-minéraux sont ajoutés, le résultat est un mélange qui peut être utilisé comme matériau de construction ou pour imperméabiliser le sol.

Pour commercialiser leur technologie, Terzis et le Prof. Lyesse Laloui ont fondé MeduSoil, une startup de l’EPFL, en 2018. L’entreprise a déjà effectué des démonstrations sur le terrain en Suisse et à l’étranger.