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


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Les micro-miroirs de la carapace du scarabée Chrysina gloriosa

Des cristaux liquides pour la communication optique ?

par Evelyne Prevots - publié le , mis à jour le

La carapace du scarabée Chrysina gloriosa doit ses couleurs irisées aux cristaux liquides cholestériques. Du visible au proche infrarouge, les cellules polygonales des bandes vertes se comportent comme des micro-miroirs dont le motif et la longueur d’onde de réflexion dépendent de l’onde incidente, tandis que les bandes argentées sont des miroirs large-bande. Les fonctions biologiques avancées sont la communication optique, la thermorégulation et le camouflage.

Les scarabées doivent leurs couleurs irisées à l’organisation en cristal liquide torsadé (cholestérique) des molécules de chitine. La carapace de Chrysina gloriosa présente des bandes vertes alternant avec des bandes argentées. En associant la microscopie confocale couplée à la spectrophotométrie, la microscopie électronique à balayage et les simulations numériques (FDTD), nous avons relié les caractéristiques de la réflexion lumineuse à la nano- et microstructure des deux bandes.

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(a) Le scarabée Chrysina gloriosa. (b) Interface entre les bandes vertes et argentées de la carapace (microscopie optique, mode réflexion, champ clair, lumière non polarisée). (c) Vue agrandie de la texture polygonale dans une bande verte.
© CEMES / CNRS

Du visible au proche infrarouge, les microcellules polygonales des bandes vertes sont autant de miroirs dont le motif et la longueur d’onde de réflexion dépendent de la longueur d’onde incidente, tandis que les bandes argentées sont des miroirs large-bande. Les stries vertes réalisent simultanément la réflexion sélective de plusieurs bandes de longueur d’onde à incidence normale et la génération d’une réflexion diffuse dans une large gamme d’angles. Ces exigences apparemment contradictoires sont honorées en combinant sur une surface courbe des structures chirales régulières et irrégulières à différentes échelles de longueur.

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Images de microscopie électronique à balayage de sections transversales de la carapace dans les bandes (a) vertes et (b) argentées. Dans une bande verte, la texture dite en empreintes digitales présente en-dessous de chaque polygone des lignes concaves imbriquées. Par contraste, ces lignes sont régulièrement parallèles dans une bande argentée. La distance entre deux lignes de même contraste est reliée au pas hélicoïdal de la structure torsadée, et l’axe hélicoïdal est partout perpendiculaire aux lignes.
© CEMES-CNRS

Nous discutons au titre des fonctions biologiques possibles la communication optique entre congénères ou avec d’autres espèces, la thermorégulation et le camouflage.

Les caractéristiques de la texture polygonale sont comparées à celles des oligomères cholestériques synthétiques. Malgré la ressemblance des textures optiques, des différences fondamentales apparaissent, contrairement à ce qui était reporté dans la littérature.

Les résultats donnent des idées d’applications dans le domaine des modulateurs de lumière spatiaux à longueur d’onde sélective et de la commutation de paquets dans les technologies de routage de l’information optique.

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A l’aide d’un spectrophotomètre couplé à un microscope confocal, cartographie de l’intensité réfléchie au plan focal des polygones pour trois gammes de longueur d’onde reliées à trois motifs typiques : (a) beignet, (b) spot et (c) fond continu.
© CEMES-CNRS

 

Référence de l’article

Multiwavelength micromirrors in the cuticle of scarab beetle Chrysina Gloriosa, G. Agez, C. Bayon and M. Mitov, Acta Biomaterialia, 48, pp. 357–367 (2017).

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1742706116306298

 

 

Contact

Michel Mitov : mitov chez cemes.fr