Applications innovatrices des arbres
Exploration des matériaux multifonctionnels produits à partir des différentes parties et biopolymères des arbres
Les arbres jouent un rôle important dans la production d'oxygène et la séquestration du carbone. Ils sont utilisés depuis longtemps dans la production de bois, la construction, la fabrication de meuble, la combustion et la production de papier.
Les arbres représentent une source abondante de biomasse lignocellulosique renouvelable. Plusieurs parties, comme l’écorce, sont des déchets des industries du bois et sont donc disponibles et peu coûteux. Leur biodégradabilité les rend une alternative attrayante aux matériaux à base de pétrole, et une solution efficace aux problèmes environnementaux.
Récemment, les recherches ont développé plusieurs produits à partir des différentes parties des arbres. Chaque partie est caractérisée par une composition et une structure particulière permettant des applications diverses dans la production et le stockage d'énergie, le développement des appareils électroniques, des applications biomédicales et la dépollution.
1. Produits à partir du tronc d’arbre
Le tronc d'arbre est formé d'écorce (partie extérieure), de cambium, permettant la croissance en épaisseur, et de tissus conducteurs (xylème). Le tronc joue un rôle dans le transport de l'eau et des nutriments et la protection de l'arbre contre les conditions environnementales difficiles, les insectes et les maladies.
Traditionnellement, les troncs d'arbres sont utilisés dans l’ingénierie du bois, la construction, la combustion et la production du papier.
- Le bois :
Le bois compressé en un film mince (chips et blocs) est utilisé dans :
Electrodes ;
Conducteurs ioniques ;
Electronique.
Les fibres de bois (xylème) sont formées de sucre (cellulose, hémicellulose) et de polymère phénolique (lignine) ayant plusieurs applications. La cellulose et l'hémicellulose ont été largement utilisées dans l'industrie papetière et les bioraffineries lignocellulosiques pour la production de papier, de biocarburants et de sucres. La lignine est le principal sous-produit de ces industries, pas encore été utilisée efficacement.
* Cellulose : après traitement, la nano-cellulose obtenue entre dans la production de :
Fibres, utilisées dans le textile, l’électronique portable, la construction et les matériaux de renforcement ;
Films et membranes, utilisés dans la séparation sélective des gaz et dans la production des batteries à flux pour le stockage d'énergie à faible coût ;
Papier commun pour l'impression et l'art, papier cartonné blanc, papier de riz, papiers optiquement transparents pour les applications optoélectroniques ;
Hydrogels et aérogels, utilisés dans la fabrication des matériaux ignifuges et d'isolation thermique, dispositifs de stockage d'énergie et dans les applications pharmaceutiques et biomédicales comme échafaudages et modèles pour soutenir la croissance et la prolifération cellulaires.
* Hémicellulose : modifiée pour l'utilisation dans le domaine biomédical et comme revêtements :
Immunothérapie contre le cancer ;
Système d’administration de médicaments ;
Pansements (exemple Veloderm, commercialisé par Medestea Research & Production, Italie) ;
Revêtement antimicrobien des dispositifs médicaux ;
Films et revêtements pour l'industrie alimentaire ;
Revêtements appliqués dans l'industrie de la pâte à papier et de la fabrication du papier pour améliorer la qualité.
* Lignine : généralement considérée comme sous-produit des industries papetières, la lignine est brûlée pour générer de la chaleur et de l'électricité, et un faible pourcentage est utilisé comme dispersants, adhésifs, additifs et tensioactifs pour le béton.
Récemment, la recherche s’est intéressée à ce composé phénolique pour la fabrication de produits de grande valeur dans le domaine biomédical, le stockage d’énergie et la dépollution :
Nanomatériaux biomédicaux, tels que des nanotubes, des nanofibres et des nanoparticules ;
Administration de médicaments/gènes ;
Ingénierie tissulaire ;
Batteries rechargeables, telles que les batteries au lithium, les batteries au sodium et les batteries à flux ;
Super-condensateurs, utilisés dans les véhicules électriques et autres appareils ;
Adsorbants de gaz, pour la dépollution de l’air ;
Des matériaux dérivés de la lignine utilisés pour l'adsorption de colorants organiques et de produits chimiques (bleu de méthylène, orange de méthyle et composés phénoliques) ;
Des matériaux pour l'élimination des métaux lourds, comme le plomb, le cuivre, le cadmium et le zinc ;
Des matériaux pour la récupération de métaux nobles, comme l’argent, l’or, le palladium et la platine.
- L'écorce :
Partie extérieure du tronc d’arbre, elle joue un rôle important dans la protection de l’arbre contre les ravageurs et le feu, le maintien des niveaux d'humidité et le contrôle de la circonférence du tronc lors des changements saisonniers. L'écorce contient la cellulose, l'hémicellulose, la lignine, le tanin, la subérine, la colophane et les agents d'extraction.
À ce jour, l’écorce de la plupart des espèces d’arbres est principalement utilisée en horticulture et en production d’énergie, et est généralement considérée comme un déchet dans l'industrie du bois. D’autre part, le bioplastique est aussi produit à partir des écorces d’arbre comme le pin (Kuddus et Roohi, 2021).
Parmi les utilisations importantes et émergentes de l’écorce et de ses composants :
Bouchons de vin (écorce du chêne-liège) ;
Intérieurs de voitures dans l'industrie automobile (écorce du chêne-liège) ;
Panneaux de particules d’écorce sans liant ;
Synthèse des polyols et des bio-huiles ;
Production de résines époxy à base d'écorce ;
Production de mousses de polyuréthane ;
Production d'adhésifs au phénol-formaldéhyde ;
Hydrogel super résistant à base de tannins ;
Matériaux de stockage d'énergie à base de tannins.
2. Produits à partir des feuilles
Les feuilles sont responsables de la photosynthèse, processus transformant les nutriments en matière organique via la chlorophylle, pigment donnant la couleur verte. C’est aussi l’organe responsable de l’évaporation de l’eau (transpiration) afin de maintenir l’arbre dans la température optimale.
A côté des pigments, les feuilles renferment des polyphénols, des protéines et d’autres molécules ayant des propriétés médicinales. Plusieurs applications sont étudiées dans l'environnement, l'énergie et la catalyse :
Adsorption des métaux lourds toxiques et des colorants (les feuilles de Neem) ;
Dépollution des eaux usées industrielles ;
Supercondensateurs ;
Batteries au lithium ;
Absorbeurs solaires ;
Nanogénérateur triboélectrique pour alimenter des LEDs ;
Synthèse de nanoparticules métalliques par les extraits aqueux des feuilles (exemple : Dalbergia sissoo ou Sesham, Amla, pistachier), utilisés dans la thérapie, les pommades et crèmes topiques, la microélectronique et la catalyse.
3. Produits à partir des fleurs
Les fleurs sont les organes reproducteurs des arbres et sont présents chez les angiospermes (ou plantes à fleur).
En général, les fleurs d'arbres ont une large gamme d’utilisation, comme pour les horticultures, dans la médecine (maladies dégénératives, athérosclérose, vieillissement et cancer), comme aliments fonctionnels (extrait), comme colorants et comme source des huiles essentielles.
* Colorants : sont extraits des pigments des fleurs, notamment les anthocyanes, les flavonoïdes et les caroténoïdes, et sont utilisés dans la collecte et stockage de l'énergie :
Sensibilisateurs dans les cellules solaires à colorant ;
Electrolytes des batteries (plante indigofera) ;
Batteries à flux, batteries Li-ion.
* Carbone dérivé de fleurs par carbonisation :
Super-condensateurs ;
Batteries zinc-air ;
Adsorption du cristal violet (fleurs de cocotiers).
4. Produits à partir des graines
Les graines sont le résultat de la fécondation de la fleur et germent pour donner des fruits qui vont donner de nouveau arbre. Quelques-uns ont une valeur médicale et d'autres servent à produire les huiles végétales. Les graines qui contiennent de l'huile visqueuse (graines de pourghère, de suif et d'olive) sont utilisées pour fabriquer du savon, des bougies, des produits cosmétiques.
* Polysaccharides :
Appareils électroniques (graines dicotylédones, telles que Leucaena leucocephala, Sesbania cannabina et Cyamopsis tetragonoloba) ;
Membranes biopolymères conductrices de protons pour les dispositifs électrochimiques (graines de tamarin).
* Carbone dérivé de graines par carbonisation :
Matériaux d'électrode dans les supercondensateurs (graines de Polyalthia longifolia) ;
Adsorption de la pollution environnementale, comme les métaux lourds des solutions aqueuses (graines de palmiers) et les phénols des eaux usées (graines de dates).
En conclusion, les arbres présentent une source importante de produits innovants permettant de remplacer les produits non biodégradables. La recherche continue de développer des bioproduits innovants et uniques à partir de ces ressources incroyables. Cependant, il est important de conserver ses végétaux et leur habitat naturel et d’éviter les déforestations et la perte de la biodiversité.
Source principale :
Article de synthèse : Liu, C., Luan, P., Li, Q., Cheng, Z., Xiang, P., Liu, D. … Zhu, H. (2021). Biopolymers Derived from Trees as Sustainable Multifunctional Materials: A Review. Advanced Materials, 33(28).
Autre source :
Livre : Kuddus, M. & Roohi (Ed.). (2021). Bioplastics for sustainable development. Springer Singapore.
Pour aller plus loin :
Les plantes comme source de caoutchouc.
Plantes bioluminescentes : l'éclairage naturel du futur.
Tendances dans l’agriculture durable.
Bio-herbicides à base de plantes.
Décryptage de l'Aromathérapie.
La sûreté des huiles essentielles.
La santé pulmonaire au naturel.
Réponse des plantes aux stimuli.