Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales


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Biomimétisme de la carapace de l’insecte

Des stries, taches, spots ou pixels sont trouvés dans la cuticule irisée de nombreux insectes et de quelques fruits. Ils réfléchissent diversement la lumière en raison de l’organisation chirale, torsadée, de la chitine. Les reproduire avec fidélité est extrêmement difficile car ces motifs et leurs couleurs discontinus doivent coexister dans un matériau monocouche et sans discontinuité des structures torsadées. A l’aide de solutions basées sur une économie de moyens et de ressources et utilisant des cristaux liquides cholestériques, nous cherchons à reproduire avec la plus haute fidélité la structure et les propriétés optiques des carapaces mosaïquées des scarabées. Nous poursuivons le biomimétisme jusqu’aux fonctions, dans le domaine de la communication optique et du camouflage.

Contact : Michel Mitov, mitov[AT]cemes.fr

Imiter les carapaces mosaïquées des insectes est recherché afin de créer des matériaux pour l’optique sophistiqués, à condition de restituer la complexité de leur structure torsadée. Nous avons inventé une voie physique d’élaboration et reproduit la carapace striée, à bandes vertes et argentées, du scarabée Chrysina gloriosa.

Plusieurs exigences étaient à satisfaire : réussir l’alliance contradictoire de la discontinuité à 2D des couleurs macroscopiques et de la continuité à 3D des nanostructures et microstructures qui en sont responsables, restituer la variabilité en volume de la torsion de l’objet biologique, produire un matériau monobloc, recourir à une économie de moyens en termes d’éléments (non métalliques), d’outils d’élaboration et d’étapes car une écoconception était visée. Une étude comparative critique d’une douzaine de critères révèle un biomimétisme structural et photonique exceptionnellement élevé.

Chrysina gloriosa dans son habitat de genévrier, avec la structure transverse idéale d’une paire de bandes verte et argentée.

Des prototypes de tags optiques pour la cryptographie sont présentés, ce qui poursuit le biomimétisme jusqu’aux fonctions, car les insectes utiliseraient des motifs colorés et polarisés pour communiquer avec leurs congénères et d’autres espèces, ou pour se fondre dans leur environnement d’élection.

Cette écoconception biomimétique offre une grande polyvalence de motifs chiraux non atteignable par le dépôt sous vide de couches métalliques, le gaufrage par gabarit ou diverses formes de lithographie. Le point-clé est qu’ici les propriétés physiques ne proviennent pas d’une impression de surface ou d’un élément rapporté mais de la structuration interne et de la texturation externe d’un matériau monocouche et libre de toute interface.

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Echantillon biomimétique avec fragment de carapace

Référence : A. Scarangella, V. Soldan and M. Mitov, Biomimetic design of Iridescent Insect Cuticles with Tailored, Self-Organized Cholesteric Patterns, Nature Communications, 11, 4108 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17884-0

Financement : ANR, projet COLEOPTIX (ANR-17-CE30-0025).

 

Du biomimétisme à la bio-inspiration : les mouchards thermiques

 

Dans la restitution précédente, nous avons recherché le transfert de la stratégie et des propriétés biologiques vers le film artificiel : couleurs, signature spectrale, textures, structures jusqu’à la fonction. La quête est le mimétisme. Par une démarche bio-inspiratrice, nous partons de la structure naturelle pour créer une propriété et une fonction physiques finalement sans lien direct avec elle. C’est ainsi que la carapace uniforme de scarabées du genre Chrysina suggère la conception de réflecteurs qui inspirent à leur tour la fabrication de tags enregistrant l’histoire thermique d’un produit.

 

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Intrigués par l’observation de réseaux de Bragg à périodicité variable chez des scarabées du genre Chrysina, nous avons recherché les règles d’élaboration pour en faire une version synthétique cholestérique. Nous avons corrélé la réponse optique de ces réflecteurs avec leur morphologie interne observée par microscopie électronique. Avec le temps pour seul paramètre, différentes bandes spectrales sont disponibles du jaune or au proche infrarouge et accompagnées du changement irréversible de la couleur. Sur la base de leur conception et de ces propriétés, ces matériaux hybrides chiral–achiral suggèrent la fabrication de tags réflecteurs intelligents. Encapsulé dans l’emballage d’un produit devant être conservé à basse température, tel un vaccin, le tag enregistre l’histoire de son stockage. Différentes informations sont gardées en mémoire : une information qualitative reportant que la température du produit a franchi une valeur seuil ; une information quantitative indiquant le temps de stockage écoulé depuis ce dépassement. Le tag inspire la notion de cookie cholestérique, par analogie avec un cookie informatique enregistrant l’activité de navigation d’un utilisateur du web.

 

Analyse structurale des échantillons pour différents temps de recuit. Vues transverses de microscopie électronique à transmission et variation de la demi-périodicité (distance entre deux franges claires) en fonction de l’épaisseur normalisée (profondeur locale/épaisseur totale de l’échantillon).Echelle = 2 μm.

 

Référence : Cécilia Boyon, Vanessa Soldan, and Michel Mitov, Bioinspired, Cholesteric Liquid-Crystal Reflectors with Time-Controlled Coexisting Chiral and Achiral Structures, ACS Applied Materials & Interfaces, 13, 30118 (2021).

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c08218

Financement : ANR, projet COLEOPTIX (ANR-17-CE30-0025).