Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Biomimétisme de la carapace mosaïquée de l’insecte

Ecoconception et tags optiques

par WAROT Bénédicte - publié le , mis à jour le

Imiter les carapaces mosaïquées des insectes afin de créer des matériaux pour l’optique sophistiqués nécessite de pouvoir de restituer la complexité de leur structure torsadée. Nous avons inventé une voie physique d’élaboration et reproduit la carapace striée du scarabée Chrysina gloriosa, jusqu’au prototypage de tags optiques pour la cryptographie.

Les carapaces irisées des insectes sont très rarement rencontrées en biomimétisme photonique, où l’aile du papillon règne en maître. De telles structures offriraient pourtant des propriétés physiques uniques basées sur la structure torsadée de la chitine et pourraient inspirer des composants optiques pour la conversion de l’énergie et le traitement du signal.

Nous avons reproduit la cuticule striée du scarabée Chrysina gloriosa. Il fallait réussir l’alliance contradictoire de la discontinuité à 2D des couleurs macroscopiques et de la continuité à 3D des nanostructures et microstructures, produire un matériau monobloc, rendre la torsion variable, et recourir à une économie de moyens en termes d’éléments (non métalliques) et d’étapes car une écoconception était visée. 

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Echantillon biomimétique avec fragment de carapace.

Le protocole expérimental repose sur une diffusion thermique dirigée au cœur d’une bicouche de cristaux liquides torsadés, cholestériques, dont la surface est soumise à des différences locales d’orientation moléculaire pour texturer le matériau.

Une étude comparative critique d’une douzaine de critères révèle un biomimétisme structural et photonique exceptionnellement élevé.

L’imagerie de sections transversales des matériaux artificiel et biologique par microscopie électronique en transmission a été réalisée au Centre de Biologie Intégrative de Toulouse (CNRS, Université Paul-Sabatier).

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 ou se cacher.

Cette écoconception biomimétique offre une polyvalence de motifs chiraux non atteignable par les techniques de dépôt sous vide de couches métalliques, le gaufrage par gabarit ou la lithographie. 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.

Publication : Biomimetic design of Iridescent Insect Cuticles with Tailored, Self-Organized Cholesteric Patterns, Adriana Scarangella, Vanessa Soldan and Michel Mitov, Nature Communications, 11, 4108 (2020). https://www.nature.com/articles/s41467-020-17884-0

Contact : Michel Mitov     

 

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