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La soie d’araignée,propriétés et utilisations

Les araignées sont des prédateurs arthropodes invertébrés. Elles font partie de la famille des arachnides, bien que dans les croyances populaires elles sont confondues avec les insectes (les insectes possèdent 6 pattes, les arachnides 8; de plus les corps des arachnides son composés de 2 parties le céphalothorax et l’abdomen tandis que ceux es insectes, eux sont formés de 3 parties thorax, abdomen et tête. Les arachnides ne possèdent pas d’ailes ni d’antennes.)

Actuellement, les araignées sont le sujet d’un véritable engouement. Près de 40 000 espèces ont été découvertes. Au delà de ses capacités et ses méthodes   de chasse uniques, la fabrication de soie utile et nécessaire à l’araignée est la raison de cet engouement auprès de la communauté scientifique. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les intérêts portés à la soie d’araignée remontent au XVIIIème siècle, quand en 1710, un certain Francois Xavier de Saint Hilaire, fit paraître un mémoire intitulé:  Dissertation sur l’araignée contenant la vertu & les propriétés de cet insecte, avec la qualité & l’usage de la soie qu’il produit & des gouttes qu’on en tire pour la guérison de l’apoplexie, de la léthargie et de toutes les maladies soporeuses. Par ailleurs, cet ouvrage fut un franc succès et incita d’autres scientifiques à s’intéresser à cette soie jusqu’alors inconnue. C’est le français René-Antoine Ferchault de Réaumur, qui apporta un désintérêt global de la communauté scientifique. Effectivement, pour lui, la soie d’araignée est « plus  onéreuse à produire tout en étant moins belle. ».Au XIXème siècle, le père Camboué s’intéresse de nouveau à l’utilisation de la soie d’araignée et entreprend d’en produire. Il utilise ainsi  l’araignée fileuse de Madagascar autrement dit la Néphila. Ce premier essai de production est une réussite. En effet, à Antananarivo, 5000 mètres de cette soie jaune doré sont alors produits en un mois. Des échantillons de cette soie sont aujourd’hui conservés au Muséum d’histoire naturelle de Lyon. Cependant cette expérience ne fut pas sans conséquences : en effet, trop d’araignées ont été capturées entraînant ainsi un déséquilibre naturel comme la propagation de maladies telles que le paludisme.Des civilisations datant de périodes bien antérieures aux siècles précédemment évoqués, utilisaient les propriétés de la soie d’araignée à des fins thérapeutiques. Par exemple, les égyptiens l’utilisaient pour ses vertus antibiotique, aussi faible soient-elles; les grecs utilisaient également la soie en tant que bandage. Ces deux propriétés ne constituent pourtant que deux des utilités de la soie. En effet, l’engouement autour de ce matériau et son potentiel attise la curiosité des médias qui apporte une idée du potentiel de cette soie. Ils la présentent comme étant extrêmement résistante, élastique, et pouvant révolutionner les secteurs de la médecine, du bâtiment, améliorer la sécurité routière, et  même être intégrée dans les gilets pare-balles.

Ces spéculations sont légitimes? La soie d’araignée possède-t-elle des propriétés aussi exceptionnelle que prétendent les médias ? Et pourrait-on la synthétiser afin de lui assurer une utilisation à l’échelle planétaire ?

Problématique : Quelles sont les propriétés de la soie d’araignée et quelles en sont les utilisations possibles ?

Sommaire :

  • I / La soie et ses caractéristiques

  • a) Production de la soie

  • b) utilisations dans la nature

  • c) Propriétés

  • II / Utilisations

  • a) Domaine médical

  • b) Sécurité

  • c) Synthétisation

I / Propriétés

a) Production de la soie

Pour comprendre le processus de fabrication de la soie, intéressons-nous d’abord à l’anatomie de l’araignée:anatomie

C’est dans son abdomen que la soie est produite. Elle est alors sous forme de fluide non-newtonien. Cette protéine fibreuse, est issue des glandes séricigènes. L’araignée est apte à produire différentes sortes de soies, et possède donc différentes glandes produisant ces soies aux propriétés différentes les unes de autres.

( Veuillez cliquer ici pour plus d’informations sur les fluides non newtoniens )

La grande majorité des araignées ne produit que 6 types de soie, et ne possède que 6 glandes.

– les glandes tubuliformes produisent la soie qui entourera les œufs                                           – les glandes ampullacées fournissent les fils de la spirale auxiliaire et la soie de structure de la toile                                                                                                                                                            – les glandes aciniformes permettent à l’araignée d’envelopper ses proies                               – les glandes piriformes lui servent à fixer sa toile aux supports                                                    – les glandes agrégées lui procurent l’enduit aqueux de la spirale de capture                            – et les glandes flagelliformes sont utilisées pour les fibres centrales de la spirale de capture

Ces glandes se divisent en deux parties, l’une secrétant les protéines constituantes du corps de la soie, et l’autre produit les protéines enveloppantes de la soie. Ces protéines sont composées à environ 40% de polymères ( les polymères sont des systèmes de macromolécule, de même nature chimique.), et 60% d’eau. Ces molécules sont très longues et entremêlées entre elles. Le tout forme un gel visqueux, assez  liquide et glissant pour que les molécules puissent glisser les unes sur les autres. La sécrétion passe ensuite dans les filières, où commence le processus de solidification. Le fluide est solidifié grâce à l’action d’ions hydrogènes  (H+), sodium (Na+), et potassium (K+). Ces filières se situent sur la face ventrale de l’araignée, et débouchent à l’extérieur, par des fusules.

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A : Zone de sécrétion des protéines du corps de la soie. B: Zone de sécrétion des protéines de l’enveloppe de la soie. C et D : Tunnel, en forme de « S » se rétrécissant de plus en plus. E: Dispositif permettant le blocage de la sortie du fil. F: Fusule

b) Utilisation dans la nature

L’utilisation première faite par les araignée de leur soie n’est pas la confection de toiles pour attraper leurs proies : Cette soie leur sert à se déplacer et à confectionner des cocons qui servent à protéger les œuf. Afin d’être alertées de la présence de leur repas , certaines araignées fabriquent des fils avertisseurs dans leur toile. On peut par exemple prendre comme cas celui de l’Epeire Diadème ci- dessous :

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Il existe plusieurs formes et types de toiles :

-La toile en nappe est une toile formant une surface de forme arrondie, parfois surmontée de fils verticaux qui peuvent servir de support (fils de soutien) et faire chuter la proie sur la toile (fils d’interception).

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-La toile en dôme est une toile formant une surface courbée, avec des fils de soutien dessus et dessous.

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-La toile en tube : Il s’agit d’un tube de soie caché dans les débris végétaux. Sa partie souterraine sert de retraite et sa partie aérienne fait office de piège.

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Les fils qui composent les toiles destinées à la capture de proies ne sont pas tous les mêmes : au centre, on trouve des fils « adhésifs » qui ont pour mission de capturer les proies, et à l’extérieur des fils plus solides. Ces toiles se doivent d’être composées de fils d’une grande solidité et très élastiques pour résister au vent, à la pluie, à la force des malheureux insectes qui percutent la toile et se retrouvent piégés…

c) Propriétés

La soie d’araignée a de nombreuses propriétés ,  notamment sa très grande résistance  , que nous allons calculer ci-dessous.

Pour calculer la résistance de la soie d’araignée et la comparer à différents matériaux  supposés solides, il faut d’abord calculer le diamètre du fil. C’est ce que l’on a fait grâce à l’expérience ci dessous :

Matériel utilisé : – Laser   – Fils de diamètres connus   – Fil de soie d’araignée – écran ( porte )

On a utilisé le processus de diffraction : nous avons placé la diode laser à 2,35 m d’un écran (la porte). Dans la continuité de ce rayon, on a placé 1 par 1 des fils de diamètres variables et connus. On a ensuite mesuré la longueur de la tâche de diffraction en fonction du diamètre de chacun des fils.

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Photo du dispositif.

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On remarque que le fil de soie d’araignée a un diamètre d’environ 0,065 mm ( 65µm)

Mais, on s’est aperçu après l’expérience que le fil mesuré n’était pas pur (poussières collées dessus) et ce fil était en fait composé de trois fils. L’expérience a été refaite, on a abouti à un résultat de 0,007mm (7µm).

On peut maintenant calculer la résistance du fil de soie, grâce à l’expérience suivante :

On a utilisé le même fil pour faire cette expérience : on a disposé le fil en « U » puis rajouté des bandes de papiers pesant chacune 0.25 g. Pour calculer la masse des bandes de papier, on a d’abord pesé une feuille de papier A4 : 5g. On a découpé 20 bandes de papier de même surface. 5/20 = 0,25 g par bandes.

On les a ensuite disposées une par une sur le fil. Ce dernier a cédé à la 14ème bande, soit 13×0,25 = 3,25g.

Donc, pour un diamètre de  0,007mm, le fil de soie a supporté 3,25g.

Maintenant que l’on a calculé la résistance du fil de soie d’araignée, on peut répondre à la question que tout le monde se pose : Serait-il possible de se balancer sur ces fils de toits en toits à la manière de Spider-man ?

Imaginons un homme de 70kg ( que du muscle, c’est Spider-man )

70 kg = 70000 g

( 70000 / 3,25 ) x  7 (µm) = 150769 µm = 15cm

Donc, d’après les résultats de l’expérience et des calculs, il faudrait un fil de 15cm de diamètre pour soutenir 70kg… pas très convainquant :

Compte tenu de la mauvaise qualité du fil et de l’approximation de l’expérience et des calculs utilisés pour obtenir ce résultat, on en conclut que le résultat n’en est que plus approximatif. En réalité un fil de soie de 2mm de diamètre pourrai supporter un humain de 70kg. En réalité seulement 3cm de diamètre de la soie d’araignée la plus résistante du monde suffirait à stopper un boeing en plein vol… pas très utile mais cela donne un aperçu de la résistance incroyable de ce fil. La réponse est donc oui, se balancer de toile en toile pourrait un jour être possible. Mais malheureusement, pour le moment, cette pratique nous est interdite par la génétique.

Comme on l’a démontré, la résistance d’un fil de soie d’araignée est hors normes. Cela est dû à deux propriétés majeures de ce fil : sa solidité et son élasticité.

D’une part, des feuillets bêta assurent sa solidité grâce à leur forme de pavés. Ces feuillets bêta se lient entre eux à l’aide de liaisons hydrogènes, faciles à briser mais qui se reforment sans cesse.Puis, les hélices alpha assurent au fil une grande élasticité grâce à leur forme de ressort. Une autre sorte de molécule, de structure non-ordonnée, côtoie aussi les feuillets et les hélices. Son but est de relier ces dernières entre elles.

Ces trois molécules forment la fibroïne, la partie centrale de chaque fibre de fil de soie d’araignée.

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Feuillets bêta, Hélices alpha et molécules de structure non ordonnée
shema-de-la-structure-du-fil
Une fibre de fil à différentes échelles
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Coupe d’une fibre de fil de soie.

Cette coupe de fibre nous montre que de la sericine entoure la fibroïne. Elle donne au fil de soie d’araignée son aspect blanc mais est présente en plus petite quantité (voir diagramme ci-dessous) et ne dispose pas de propriétés résistantes.

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  • Résistance à l’acide:

Nous avons réalisé l’expérience suivante pour montrer que la soie d’araignée résiste à l’acide chlorhydrique, acide présent en petite quantité dans l’estomac. L’expérience est simple : on a versé 25ml d’acide dans 100ml d’eau, puis déposé des fils de soie d’araignée dans la solution. La soie n’a pas été altérée, même après 3h au contact de l’acide chlorhydrique.

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La soie est donc résistante à l’acide.

  • Supercontraction

Quand la toile atteint un degré d’humidité relativement important, ses fibres raccourcissent de moitié et doublent de diamètre. On parle alors de phénomène de supercontraction. Cette remarquable propriété permet à la toile d’être beaucoup plus élastique.

  • Electrostaticité

Lorsqu’un insecte s’approche de la toile, celle-ci vient à sa rencontre. Elle n’est pas statique comme on pouvait le croire jusqu’à présent. Des chercheurs ont donc émis l’hypothèse que la toile et l’insecte possédaient des charges opposées.
Nous avons voulu tester l’expérience et avons chargé positivement un bâton de verre par frottement, puis nous l’avons approché d’une toile d’araignée. En effet, le résultat est surprenant : on peut voir la toile se déplacer pour venir se coller au bâton. Nous pouvons donc en conclure que la soie d’araignée est chargée négativement, car les charges opposées s’attirent. Nous avions filmé cette expérience, cependant nous l’avons supprimée car nous n’étions plus sûrs de son utilité.Dans la nature, les charges positives de l’insecte sont majoritairement dues au frottement de ses ailes.

  • Mémoire de forme

Si on tire sur un fil d’araignée jusqu’à engendrer une déformation, nous pouvons être sûr que le lendemain la toile d’araignée aura repris sa forme initiale, non pas parce que l’araignée l’a refaite mais parce que la soie est composée de molécules qui reviennent à leur forme de départ et c’est ce qu’on appellera la mémoire de forme. Imaginons qu’une opération de tendon se faisait à l’aide d’un fil de soie, si le fil subissait une déformation, la mémoire de forme permettrait au fil de revenir à sa première forme spontanément.

Il est intéressant de comparer la soie d’araignée à celle du ver à soie qui fait office de référence dans le monde de la soie. Prenons pour exemple la soie grège, soie à l’état brut de couleur gris beige( filature de la soie grège ). Au microscope, le fil de soie grège a l’aspect d’un tube de verre parfaitement lisse et limpide, ne présentant absolument aucun défaut. Cette régularité absolue de sa structure confère à la soie sa douceur à l’œil et au toucher, son lustre et son brillant. Les portions de fibres moins bien organisées et qualifiées d’amphores lui assurent ses qualités d’élasticité, de solidité, de finesse, de légèreté et de souplesse. La soie est imputrescible. Elle possède un pouvoir élevé d’absorption, ce qui le rend propice à être teint. Elle peut absorber jusqu’à 30% de son poids d’eau sans que le fil ou le tissu paraisse humide. Ceci donne à la soie une qualité d’hygiène et de confort unique. Elle offre également une protection contre la chaleur et le froid, contre l’humidité et la transpiration. On peut constater que la soie de ver à soie est très propice à une utilisation dans le monde du textile.  Mais à l’inverse, contrairement à celle de l’araignée, elle serait inadaptée à des fonctions requérante une solidité, puisque des matériaux plus résistants sont déjà utilisés. Et c’est parce que la soie d’araignée dépasse les capacités de ces matériaux traditionnellement utilisés (exemple acier, fil de fer) qu’elle est convoitée.

(Petite anecdote: La soie d’araignée est réputée comme étant le matériau le plus résistant du règne animal connu à ce jour. Cependant, il y a peu, des scientifiques ont découvert, après une étude menée sur des dents de patelles, un gastéropode marin à coquille conique, que ses dents étaient extrêmement résistantes au point de détrôner la soie d’araignée. Effectivement, la soie d’araignée possède une force de résistance d’un peu moins de 2 000 mégapascals, tandis que la force de résistance des dents de ce mollusque sont estimés à entre 3 000 et 6 500 mégapascals.)

II / Utilisations

 a) Dans le domaine médical 

Biocompatible, hypoallergénique, biodégradable, et n’engendre aucunes inflammations. Le fil de soie d’araignée constitue un excellent fil de suture et peut être envisagé comme une alternative au fil de suture traditionnel. En effet, celui-ci doit être retiré lors de la cicatrisation de la plaie, lorsqu’il s’agit d’un fil de suture classique. Celui-ci est utilisé pour des plaies externes et doit être retiré manuellement par un médecin. L’autre fil de suture couramment utilisé est un fil résorbable, utilisé lors d’opérations chirurgicales profondes. L’avantage de ce fil, et qu’il se désintègre naturellement et ne nécessite aucunes interventions. Le fil de soie d’araignée pourrai bien remplacer ces deux fils traditionnel. En effet la résistance, et sa biocompatibilité permettraient de suturer les deux cas récurrents évoqués précédemment.

De plus, comme nous l’avons expérimenté, la soie d’araignée résiste à l’acide, on peut donc en déduire qu’elle peut être utilisée en tant que fil de suture dans des zones acides telles que l’estomac.

On peut également prendre l’exemple des greffes de peau. La soie est biodégradable, biocompatible et hypoallergénique. Elle n’engendre ni rejet ni inflammation, favorise la cicatrisation, sert de guide pour la régénération de peau car les cellules nerveuses la colonisent facilement. Elle forme donc un substitut idéal à une greffe dermique.

  • b) Sécurité

La soie d’araignée est plus de 10 fois plus résistante que l’acier et 3 fois plus que le Kevlar ( un matériau à base de pétrole utilisé pour faire des gilets pare-balles ) ce qui fait de la soie d’araignée un des matériaux les plus résistants sur Terre. On estime qu’elle peut supporter un poids de 45 tonnes par cm² en restant léger et flexible.

La soie d’araignée pourrait être une alternative au matériau couramment utilisé dans différentes industrie. On peut par exemple prendre le cas des constructeurs automobiles de voiture de course qui pourrait remplacer la carrosserie habituelle , qui est constitué d’acier et d’aluminium par de la soie d’araignée synthétique.

Elle pourrait être aussi une alternative dans la construction des bâtiments , dans leur structure ou leur fondation , habituellement constitué d’acier , remplacé par la soie d’araignée qui serait plus souple et plus résistant , ce qui serait bénéfique.

Un essai important fut tenté dans les années 1960 par l’armée américaine, qui tentait de trouver un nouveau moyen de protéger ses troupes lors de la guerre du Viêt Nam. Bien que l’expérience fut un échec, elle permit quand même d’identifier la Nephila clavipes, qui produit 7 types de soie, dont une ultra-résistante.

la Nephila clavipes:

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Mais à cause du fait que l’élevage d’araignée en grande quantité est complexe et très peu rentable , comment pourrions-nous en produire en quantité presque industrielle ? 

La vrai solution pourrait venir de la production de soie de manière synthétique et des grands progrès de la science dans le domaine de la transgenèse.  En effet , grâce à des vers à soie , des bactéries ou même encore des chèvres , en leur implantant le gène codant de la production de soie d’araignée , on pourrait obtenir ce matériau et le produire en très grande quantité à l’échelle mondiale.

L’armée américaine à déjà lancé des tests sur des gilets pare-balles.

C) Synthétisation

Comme évoqué précédemment, la soie d’araignée, grâce à ses propriétés hors-du-commun à de nombreuses utilisation possibles. Mais encore faut-il trouver la soie et en grande quantité, d’où l’intérêt d’essayer d’industrialiser la production de cette soie

Autrefois, cette soie était produite dans des élevages d’araignées. La méthode s’est révélée longue et peu productive. Les araignées doivent être élevés séparément en raison de leur d’une fâcheuse habitude : elles ont tendance à se manger entre elles.  Les scientifiques se sont hâtés de trouver une meilleur méthode de production. La méthode la plus traditionnelle est appelée le dévidage, elle consiste à immobiliser une araignée sans lui infliger de douleur afin que l’on puisse la retourner et extraire le fil de soie en dehors de son abdomen et de l’enrouler sur une bobine. ce qui a permis à l’équipe du professeur Peter Vogt, chef de laboratoire à la Clinique plastique et reconstructrice de la main de Hanovre, en Allemagne.

C’est alors qu’en 1990, le biologiste Brandy Lewis eu l’idée d’utiliser des bactéries auxquelles deux gènes nécessaires pour produire la soie sont implantés.synthc3a8se.png

Mais, la soie d’araignée ainsi produite était trop peu solide comparé à la vrai soie d’araignée et la méthode trop chère. Les chercheurs ont ensuite utilisé ces gènes pour modifier les glandes mammaires de chèvres. La protéine ainsi produite dans leur lait est filé pour reconstituer le fil. Cette méthode, bien que plus efficace représente pourtant quelques défauts. La quantité de protéine produite dans le lait est aléatoire, la filtration pour récupérer les protéines coûteuse et le fil obtenu toujours pas assez solide.

Dernièrement, de nouvelles techniques sont utilisée : D’abord la production des protéines qui constituent les fibres de la soie d’araignée par l’intermédiaire de plans de tabac transgéniques. Ce procédé a pour avantage son coût, plus faible que celui qui impliquait des bactéries modifiées. L’autre technique, la plus rependue à l’heure actuelle est celle de la production directe de la soie d’araignée par des vers à soie modifiés, plus « dociles » que les araignées.

Conclusion :

Dans la nature, le fil de soie d’araignée est produit par cette dernière pour capturer ses proies ou pour fabriquer des cocons, accueillant les œufs. Les propriétés du fil de soie d’araignées sont hors du commun. Une résistance qui surpasse celle de l’acier ou encore du kevlar ( utilisé pour la fabrication de gilets pars-balles ) notamment grâce à une grande solidité et une élasticité hors normes. Ce sont les propriétés les plus utiles à l’homme. Elle forme donc un parfait substitut à des matériaux de référence traditionnellement utilisés dans leur domaine respectifs.  Les chercheurs trouvent donc de multiples utilisations à ce fil « miracle » et tentent de les rendre possibles, notamment dans les domaine du médical et de la sécurité. Ces avancées technologiques peuvent toutefois être ralenties à cause d’une production en masse complexe.

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Filiature de la soie grège

Pour que les cocons soient dévidables, il est nécessaire qu’ils soient intacts. Ils sont récoltés avant que la chrysalide ne devienne papillon. Les cocons sont placés dans des appareils appelés étouffoirs séchoirs dans lesquels la chrysalide est étouffée à l’air chaud. Il faut compter approximativement 6 kilos de cocons pour un kilogrammes de soie grège. Dans les temps anciens, on utilisait une bassine à 6 ou 8 bouts ou bassines à bouts multiples, dans laquelle l’eau était portée à 85 – 90° afin de ramollir le grès des couches externes. L’ouvrière surveillait la formation du fil de soie de quatre, cinq ou six bouts suivant la grosseur. Elle devait pourvoir avec son  » jette-bout  » au remplacement du cocon dû à son épuisement ou à une casse. Seule la vigilence et l’habileté de l’ouvrière faisait la régularité du fil. Les Japonais ont résolu le problème de la filature de la soie en inventant une machine automatique qui permet un contrôle constant du titre de la soie dévidée. Un mécanisme spécial monté à l’extrémité de la machine assure une détection automatique de l’extrémité de la bave. Les opérations successives après la cuisson sont le battage qui permet de désagréger la bourre des couches externes faites de brins plus ou moins rompus puis le purgeage par lequel la bourre est éliminée et l’extrémité du fil dégagée. Les baves sont ensuite réunies suivant le titre désiré en 4, 5, 6, 7 bouts. Le fil ainsi formé, reçoit une légère torsion qui facilite l’agrégation des baves et va ensuite s’enrouler sur un dévidoir qui assure une présentation en grosses flottes (écheveaux).

Les fluides non-newtoniens

L’eau est un fluide newtonien, c’est-à-dire que la contrainte qu’elle exerce sur un objet en déplacement évolue proportionnellement à la vitesse de celui-ci.

exemple:

fluide-newtonien

Cependant un fluide non-newtonien est l’inverse de ce phénomène, c’est à dire que l’évolution n’est pas proportionelle.

Il existe deux sortes de fluides non-newtoniens:

  • Les rhéofluidifiants, où la résistance diminue quand la vitesse de l’objet qui traverse le fluide augmente

fluide-newtonien

  • Les rhéoépaississants, où la résistance augmente quand la vitesse de l’objet qui traverse le fluide augmente

fluide-newtonien

Exemple:

Maïzena et eau, fluide rhéoépaissisant.

(mettre vidéo)