Les chercheurs développent un emballage biodégradable à base de plantes à partir de fibres naturelles Nouvelle recherche

(MENAFN- The Conversation) Jie Wu, étudiant en génie, étudiait un type de scarabée blanc frappant trouvé en Asie du Sud-Est et tentait de comprendre comment imiter sa couleur brillante lorsqu’une découverte inattendue a bouleversé l’expérience.

Jie et moi espérions identifier des pigments blanchissants naturels pouvant être utilisés dans le papier et la peinture. L’exosquelette blanc du scarabée est composé d’une substance appelée chitine, qui est un type de glucide – également couramment trouvé dans les carapaces de crabe et de homard.

D’abord, Jie a extrait des nanofibres de chitine à partir de carapaces de crabe issues de déchets alimentaires, chimiquement identiques à celles du scarabée blanc. Mais au lieu de créer un matériau blanc comme prévu, Jie a produit des films denses et transparents. Les nanofibres s’assemblent plus facilement en films compactés qu’en structures poreuses que Jie souhaitait.

Sur un coup de tête, Jie a mesuré la vitesse à laquelle l’oxygène passait à travers le film. Le résultat était étonnant : la barrière laissait passer moins d’oxygène que de nombreux plastiques d’emballage existants.

Cette découverte fortuite en 2014 a permis à mon équipe d’étudiants en génie de recentrer ses recherches du colorant à l’emballage. Nous nous sommes demandé si des matériaux naturels pouvaient rivaliser avec la performance des plastiques courants. Depuis, notre équipe a utilisé cette découverte pour créer des films biodégradables offrant une alternative plus durable et efficace à l’emballage plastique.

Défis de l’emballage plastique

L’emballage plastique est couramment utilisé pour protéger les aliments, les produits pharmaceutiques et de soins personnels. Ces plastiques empêchent l’humidité et l’oxygène de l’air d’atteindre les produits, ce qui les maintient frais et sûrs.

La plupart des emballages comportent plusieurs couches qui travaillent ensemble pour garder l’air à l’extérieur, mais ces couches compliquent la réutilisation et le recyclage. En conséquence, la majorité de ces emballages barrières en plastique sont jetés en décharge comme matériaux à usage unique.

De nombreux chercheurs ont cherché des alternatives renouvelables, biodégradables ou recyclables, tout aussi efficaces. À Georgia Tech, mon équipe d’étudiants et de post-doctorants travaille depuis plus d’une décennie sur ce problème. Tout a commencé avec ce scarabée.

Construire une meilleure barrière

La chitine est largement disponible dans les déchets alimentaires et les champignons, et elle est utilisée dans des produits comme les filtres à eau et les pansements. Cependant, nos premières tentatives d’industrialisation de la technologie de film basée sur l’expérience inspirée du scarabée ont échoué.

En 2018, l’équipe a fait un progrès important en utilisant un pulvérisateur pour créer des couches de nanomatériaux de chitine et de cellulose. La cellulose, comme la chitine, est un polymère de glucides – une chaîne d’unités de glucides répétées – et elle est extraite des plantes. Ces matériaux naturels abondants ont des charges électriques opposées, ce qui a permis d’obtenir une meilleure performance de barrière lorsqu’ils sont combinés, par rapport à l’utilisation de l’un ou l’autre seul.

Dans cette approche, l’équipe pulvérisait une couche de chitine, suivie d’une couche de cellulose. Les charges opposées entre la chitine et la cellulose créaient une attraction à longue portée qui liait les couches pour former une interface dense.

Plus tard, en collaboration avec Meisha Shofner, scientifique des matériaux, et Tequila Harris, ingénieure mécanique, d’autres étudiants ont montré que ces revêtements pouvaient être appliqués avec des techniques de rouleau à rouleau évolutives. Ces méthodes sont préférées dans l’industrie car elles permettent d’appliquer en continu les revêtements sur de grandes bobines de matériau de base, comme le papier ou d’autres plastiques biodégradables.

Cependant, l’humidité posait un défi majeur, limitant toute application concrète. L’humidité faisait gonfler le film, permettant à plus d’oxygène de passer.

Puis est survenue une autre avancée. En 2024, une autre collaboratrice, Natalie Stingelin, et moi avons découvert que deux composants alimentaires courants résistaient à la vapeur d’eau lorsqu’ils étaient combinés : la carboxyméthylcellulose – que l’on trouve par exemple dans la crème glacée – et l’acide citrique.

Le résultat était un film qui entravait la transmission d’humidité. L’acide citrique réagissait avec la cellulose pour former des liaisons croisées, des jonctions chimiques qui relient les molécules de cellulose. Une fois liées, elles réduisaient l’absorption d’humidité du film.

Nous avons intégré cette nouvelle découverte à nos travaux antérieurs en combinant l’acide citrique et la cellulose, puis en coulant ce mélange sous forme de film autoportant en le déposant sur un substrat, comme la chitine.

Cependant, cette formulation ne possédait pas de bonnes propriétés de barrière à l’oxygène car elle ne contenait pas les nanomatériaux de cellulose cristalline issus de notre premier film. La dernière réalisation de notre équipe, en octobre 2025, combine ces innovations. En conséquence, nous avons créé un film bio-sourcé qui constitue une excellente barrière à la fois contre l’oxygène et l’humidité.

Augmentation de la production

Lorsqu’ils sont coulés en films fins, ces composants s’organisent spontanément en une structure dense qui résiste au gonflement par la vapeur d’eau. Les tests ont montré qu’à 80 % d’humidité, le film égalait ou surpassait les plastiques d’emballage courants.

Ces matériaux sont renouvelables, biodégradables et compostables. Notre équipe a déposé plusieurs demandes de brevets, et nous collaborons avec des partenaires industriels pour développer des usages spécifiques pour l’emballage.

Un défi majeur est la disponibilité limitée des composants bio-sourcés par rapport au volume élevé de plastiques conventionnels. Comme pour tout nouveau matériau, il faudra du temps aux fabricants pour développer des chaînes d’approvisionnement à mesure que ces films commenceront à être utilisés.

Par exemple, la demande du marché pour la chitine purifiée est actuellement faible, car elle est utilisée dans des applications de niche, comme les pansements et la filtration de l’eau. En raison de ses multiples usages, l’emballage pourrait augmenter cette demande.

Le prochain défi est de passer de films expérimentaux à une production industrielle, ce qui pourrait prendre plusieurs années. L’équipe explore des techniques de revêtement en rouleau et collabore avec des partenaires industriels pour intégrer ces matériaux dans les lignes d’emballage existantes.

Les politiques et la demande des consommateurs joueront également un rôle. Alors que les gouvernements encouragent l’interdiction des plastiques à usage unique et que les entreprises fixent des objectifs de durabilité, les films bio-sourcés pourraient faire partie de la solution.

L’histoire de cette avancée me rappelle que la science progresse souvent grâce à des résultats inattendus. D’une tentative ratée d’imiter la couleur d’un scarabée à une alternative prometteuse au plastique, cette recherche montre comment la curiosité peut conduire à des solutions pour certains de nos plus grands défis.