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


Accueil > Recherche > NeO : Nano-Optique et Nanomatériaux pour l’Optique > Cristaux liquides pour l’optique

Biophysique de la carapace à cristaux liquides de l’insecte

Où se trouve l’anisotropie dans l’organisation des constituants de la carapace mosaïquée du scarabée ? Quelles sont les propriétés structurales et optiques reliées ? Pour quelles possibles fonctions biologiques ? Quelle source d’inspiration pour de nouveaux matériaux en optique avancée ? Ces questions motivent nos investigations menées de la chitine cholestérique à la couche ultime, celle de la cire, qui intrigue.

Les structures photoniques de la carapace mosaïquée du scarabée

JPEG - 604.9 ko

La structure cholestérique est omniprésente dans les milieux biologiques, en conditions in vivo comme in vitro. Elle concerne l’organisation de la majorité des macromolécules essentielles à la vie. Dans la carapace de l’insecte les fibrilles de chitine adoptent très souvent une structure torsadée qui confère à l’animal des couleurs irisées produisant des effets visuels spectaculaires. Beaucoup de ces insectes possèdent une carapace mosaïquée faite d’un réseau de bosses, creux, stries, pixels ou autres motifs offrant une versatilité de signatures optiques. Comprendre le sens de ces variations physiques peut aider à comprendre le rôle de l’information optique dans le processus évolutif, et inspirer la manufacture de nouveaux matériaux biomimétiques pour la nanophotonique, la micro-optique, la régulation thermique ou le camouflage.

Les propriétés optiques des bandes de la carapace du scarabée Chrysina gloriosa proviennent de structures torsadées à orientation variable couplée à un gradient de pas hélicoïdal. Du spectre visible au proche IR, nous montrons que les cellules polygonales des bandes vertes sont des micro-miroirs dont le motif de réflexion et la longueur d’onde associée dépendent de la longueur d’onde incidente, et les bandes argentées sont des miroirs spéculaires large-bande non texturés. Les conclusions de la littérature soutenant la similarité des structures et des réponses optiques de la bande verte du film synthétique à celle de la carapace sont à réviser. Des versions artificielles pourraient servir dans le domaine des modulateurs de lumière à longueur d’onde sélective et de la commutation de paquets pour le routage de l’information optique.

Références :

G. Agez, C. Bayon and M. Mitov, Multiwavelength micromirrors in the cuticle of scarab beetle Chrysina gloriosa, Acta Biomater., 48, 357-367 (2017).

M. Mitov, Cholesteric Liquid Crystals in Living Matter, Soft Matter, 13, 4176-4209 (2017).

Recension dans CNRS Le Journal :

https://lejournal.cnrs.fr/articles/tous-les-cristaux-liquides-sont-dans-la-nature

 

La couche de cire cuticulaire de l’insecte

PNG - 960 ko

Les études sur la couche de cire des cuticules d’insecte se sont focalisées sur sa composition chimique, en révélant des mélanges élaborés de lipides. Alors que la cire recouvrant la carapace des insectes est réputée être isotrope, nous montrons par microscopie électronique que celle du scarabée Chrysina gloriosa présente une texture en stries avec une périodicité de l’ordre de 28 nm. Réexaminer la cuticule de l’insecte en se focalisant sur l’organisation physique de la cire semble s’avérer nécessaire, ce qui pourrait initier une recherche de textures anisotropes chez d’autres scarabées, insectes ou arthropodes en général.

Référence : M. Mitov, V. Soldan and S. Balor, Observation of an anisotropic texture inside the wax layer of insect cuticle, Arthropod Structure & Development, 47, 622-626 (2018).