Apprendre de la nature – Manipuler la lumière grâce aux cicadelles

Une nouvelle étude dirigée par des chercheurs de l’Université d’État de Pennsylvanie a découvert que les petites particules sécrétées par les cicadelles, que l’on trouve couramment dans nos jardins, peuvent nous aider à construire des technologies de prochaine génération. 

Publiée récemment dans le PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, les chercheurs, pour la première fois, ont réussi à reproduire exactement la géométrie complexe des particules mystérieuses, appelées brochosomes, ainsi que leur mode d’absorption de la lumière.

Le fait est que de nombreux matériaux fonctionnels naturels sont constitués de micro- et nanostructures hiérarchiques qui font partie intégrante des surfaces biologiques. Les cicadelles, en particulier, excrètent des brochosomes et les utilisent comme matériaux déployables sur leurs surfaces corporelles.

Les brochosomes sont des sphéroïdes finement structurés, en forme de fullerène, avec des trous traversants produits par la cicadelle. Elles sont creuses et nanoscopiques, c’est‑à‑dire extrêmement petites, à l’échelle du nanomètre, soit un milliardième de mètre. Ces particules hydrophobes sont sécrétées par les cicadelles et se trouvent sur la surface de leur corps.

Bien qu’elles aient été découvertes pour la première fois dans les années 1950, nous ne comprenons toujours pas la signification fonctionnelle de la géométrie des brochosomes, ce que cette étude cherche à changer.

Tak‑Sing Wong, professeur de génie biomédical et de génie mécanique à Penn State, a dirigé l’étude. Elle a montré que les trous traversants des brochosomes peuvent aider à réduire la réflexion de la lumière. Il s’agit du premier exemple biologique démontrant une fonctionnalité antireflet à courte longueur d’onde, filtre passe‑bas, c’est‑à‑dire un revêtement optique qui réduit la réflexion sur une certaine gamme de courtes longueurs d’onde tout en laissant passer les longueurs d’onde plus longues.

La géométrie unique des brochosomes, selon l’étude, pourrait permettre le développement de matériaux optiques bio‑inspirés (matériaux finement réglés et réactifs inspirés des structures naturelles présentes chez les organismes vivants).

Ce développement diffère de l’effet anti‑reflet des yeux de papillon de nuit, qui a inspiré des revêtements très efficaces pour les panneaux solaires, les smartphones et les tablettes. Les yeux des papillons de nuit ne reflètent pas grâce à la structure périodique à l’échelle nanométrique de leur surface, qui fait diffuser la lumière incidente dans des directions aléatoires. Ainsi, au lieu d’être réfléchie, la lumière est transmise dans l’œil.

Ainsi, les brochosomes des cicadelles offrent une approche distincte pour la manipulation optique bio‑inspirée, avec des applications potentielles dans les revêtements, les dispositifs d’invisibilité et la collecte d’énergie solaire plus efficace.

Reproduire les structures complexes des brochosomes

Compte tenu de la compréhension limitée de la géométrie unique des brochosomes, de leur présence constante chez diverses espèces de cicadelles, et de l’incertitude concernant leurs tailles et leurs trous traversants, généralement de l’ordre de plusieurs centaines de nanomètres, les chercheurs de Penn State ont entrepris cette étude pour élucider ces mystères et en expliquer l’importance pour ces espèces.

L’équipe travaille sur ce sujet depuis plusieurs années maintenant. En 2017, c’était en fait la première fois qu’une version synthétique des brochosomes était développée afin de mieux comprendre leur fonction.

Fabriquer ces brochosomes en laboratoire a été une tâche difficile malgré le fait que les scientifiques les connaissent depuis longtemps. Cela est dû à la complexité géométrique de ces particules. On ignorait également pourquoi ces insectes de jardin sécrètent des particules aux structures aussi complexes.

Il y a plusieurs années, bien que les caractéristiques des brochosomes comme les fossettes et leur distribution aient été reproduites avec succès à l’aide de matériaux synthétiques, les chercheurs n’avaient pas pu créer une réplique exacte. C’est maintenant la première fois que l’équipe a pu reproduire la géométrie exacte du brochosome naturel sous une forme mise à l’échelle de 20 000 nanomètres.

Pour créer ces structures complexes en laboratoire, l’équipe de recherche a utilisé une méthode d’impression 3D haute technologie. Ils ont employé l’impression 3D par polymérisation à deux photons (2PP) pour fabriquer des versions synthétiques à haute fidélité des brochosomes.

L’étude a noté que, bien que les meilleures imprimantes 3D puissent créer des objets avec une résolution de 200 nm à 500 nm, elles ne parviennent pas à reproduire les géométries nanoscopiques des brochosomes naturels, qui se situent entre ~300 nm et 600 nm. Ainsi, ils ont utilisé une technique de modèle à l’échelle puis fabriqué des brochosomes synthétiques microscopiques comme système modèle.

Les brochosomes synthétiques et leurs trous traversants ont été conçus avec des diamètres d’environ 20 µm et 5 µm respectivement, afin de s’assurer que les structures imprimées soient bien plus grandes que la résolution de l’imprimante 3D. La structure résultante comportait 12 trous traversants pentagonaux et 20 trous traversants hexagonaux reliés par un cœur creux. Alors que l’épaisseur de la coque était de 7 % du diamètre total, l’épaisseur de la paroi du trou traversant était de 20 %, imitant les brochosomes naturels.

L’échantillon fabriqué comprenait également un réseau de 20 × 20 brochosomes synthétiques dans un réseau HCP, ce qui a donné une densité d’empilement d’environ 91 %. Un échantillon de contrôle sans structures de trous traversants a également été fabriqué.

L’équipe a ensuite examiné la relation forme‑fonction optique des brochosomes, montrant que leurs géométries hiérarchiques sont conçues dans une plage de taille étroite avec une architecture de trous traversants afin de réduire significativement la réflexion de la lumière.

Pour étudier comment les brochosomes interagissent avec la lumière infrarouge de différentes longueurs d’onde, les chercheurs ont utilisé un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier micro‑FTIR qui les a aidés à comprendre comment la lumière est manipulée par les structures.

Les particules fabriquées en laboratoire ont pu réduire la réflexion de la lumière jusqu’à 94 %, ce qui est remarquable car c’est la toute première fois qu’une espèce naturelle est observée contrôlant la lumière de manière aussi précise grâce à des particules creuses.

Cette découverte suggère également la forte possibilité que les cicadelles se couvrent d’une armure de brochosomes pour se camoufler et éviter les prédateurs, contrairement aux théories antérieures qui supposaient que cela servait à les protéger des contaminants et de l’eau, selon le co‑auteur Wong.

De plus, l’équipe a découvert que l’apparence creuse et en forme de fullerène du brochosome, ainsi que la taille de ses trous, remplissent une double fonction : absorber la lumière ultraviolette (UV) et diffuser la lumière visible.

Il est intéressant de noter que la taille est cohérente chez toutes les espèces de cicadelles, quel que soit la taille du corps de l’insecte. Ainsi, les brochosomes mesurent environ 600 nanomètres de diamètre, et les pores environ 200 nanomètres.

Cette cohérence réduit la visibilité pour les prédateurs comme les oiseaux et les reptiles, qui possèdent une vision UV, en absorbant la lumière UV grâce à la taille des trous. De plus, la diffusion de la lumière visible crée un bouclier antireflet contre les menaces potentielles.

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Applications potentielles remarquables

Ainsi, soutenue par l’Office of Naval Research, l’étude a pu répondre à la complexité des structures, montrant qu’elles ont été conçues pour améliorer la diffusion de lumière à large bande. De plus, les trous traversants ont encore réduit la réflexion de la lumière en fonctionnant comme des filtres passe‑bas à courte longueur d’onde.

Ces effets permettent aux brochosomes d’atteindre une réduction de 80 à 94 % de la réflexion spéculaire sur une large gamme de longueurs d’onde. Selon Lin Wang, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral en génie mécanique, « cela pourrait être très utile pour l’innovation technologique ».

Disposer d’une nouvelle façon de réguler la réflexion de la lumière sur une surface peut permettre aux scientifiques de masquer les signatures thermiques tant des machines que des humains. Wang postule qu’un jour nous pourrions même exploiter les astuces des cicadelles pour créer un manteau d’invisibilité thermique, ce qui serait prometteur pour les applications militaires et de surveillance.

« Notre travail montre comment la compréhension de la nature peut nous aider à développer des technologies modernes. » 

– Wang

Parmi les applications potentielles des résultats figurent des écrans solaires avancés pour protéger contre les dommages du soleil, réduisant ainsi le risque de cancer de la peau. De plus, des revêtements peuvent être développés pour protéger les produits pharmaceutiques des dommages induits par la lumière, améliorant l’efficacité et la durabilité des médicaments sensibles. Les chercheurs ont également noté que ces connaissances pourraient conduire au développement de systèmes de collecte d’énergie solaire plus efficaces.

Bien que l’équipe ait réussi à créer des répliques exactes des brochosomes naturels, son travail est loin d’être terminé. Dans la prochaine étape, les chercheurs se concentreront sur l’amélioration de la fabrication des brochosomes synthétiques afin de les rapprocher davantage de la taille de leurs homologues naturels.

L’équipe explorera également d’autres applications pour les brochosomes synthétiques, comme le chiffrement d’information. Les structures complexes des brochosomes pourraient être intégrées dans un système de cryptage où les données ne sont visibles que sous des longueurs d’onde lumineuses spécifiques, permettant une communication sécurisée.

Selon Wang, l’étude montre la valeur de s’inspirer de la nature, qui « a été un bon professeur pour les scientifiques afin de développer des matériaux avancés novateurs. »

Les cicadelles ne sont qu’une des nombreuses espèces d’insectes, marquant seulement le début ; avec tant « d’insectes incroyables qui attendent d’être étudiés par les scientifiques des matériaux, » prévoit Wang, cette recherche « nous aidera à résoudre divers problèmes d’ingénierie. »

Les chercheurs ont déposé un brevet provisoire américain pour leur travail, qui a également bénéficié des contributions de Zhuo Li, doctorant en génie mécanique à l’Université Carnegie Mellon, et de Sheng Shen, professeur de génie mécanique à l’Université Carnegie Mellon.

Produits inspirés par le rétro‑ingénierie réussie de la nature

L’étude montre les grandes implications de l’apprentissage de la nature. Mais ce n’est pas un phénomène nouveau ; les humains s’inspirent de la nature depuis la nuit des temps.

Historiquement, les Grecs anciens proportionnaient leurs bâtiments selon le nombre d’or. Au XIXe siècle, les colons espagnols du Colorado utilisaient la profondeur des terriers des marmottes colombiennes pour construire leurs habitations au-dessus du sol. Plus récemment, les scientifiques ont même rétro‑ingénierie les systèmes d’équilibre d’insectes comme les cafards pour concevoir des robots plus stables.

Les geckos, en particulier, ont été une grande source d’inspiration dans l’industrie de la robotique. Des ingénieurs de l’Université de Waterloo ont étudié la capacité d’adhérence des geckos et des vers de terre pour créer un petit robot qui, un jour, pourrait aider les médecins à réaliser des chirurgies.

Le groupe Max Planck vise à exploiter les enseignements tirés des atterrissages durs des geckos pour aider les véhicules aériens robotisés à se percher de façon plus disciplinée. Même la NASA s’inspire de ces reptiles, son adhésif gecko étant déjà testé à bord de la Station spatiale internationale. Parallèlement, le robot RiSE de Boston Dynamics, avec ses pieds inspirés du gecko, montre à quel point le génie de la nature peut être utilisé pour des inventions et produits étonnants.

Voyons donc quelques entreprises qui ont conçu et développé des produits inspirés par la nature :

#1. Velcro Industries

En 1941, l’ingénieur et entrepreneur suisse George de Mestral a inventé le Velcro, une percée inspirée des crochets qu’il trouvait sur lui et son chien. En examinant le croc sous microscope, il a découvert un mécanisme simple mais ingénieux : de petits crochets et des boucles de tissu qui permettaient au croc d’adhérer fermement aux surfaces. Cela l’a conduit à reproduire la structure du croc comme un potentiel système de fixation.

Les attaches ALFA‑LOK de Velcro sont un autre exemple, s’inspirant de la structure unique des champignons. L’attache comporte de minuscules crochets en forme de chapeaux de champignons, qui sont de petits dômes protecteurs couvrant les spores, et au sommet de chaque crochet se trouve un capuchon pour créer une fermeture sécurisée.

L’inspiration de la nature, selon Velcro, a permis de sécuriser des couches‑culottes pour bébés, nous a envoyé sur la Lune et a engendré plus de 2 000 brevets. Aujourd’hui, le terme « Velcro » est devenu générique et est utilisé dans de nombreux secteurs, notamment l’informatique, la santé et l’automobile.

#2. Sharklet Technologies 

Pour lutter contre la propagation des bactéries, cette entreprise développe des surfaces qui inhibent la croissance des bactéries et des microbes — une innovation qui trouve des applications dans les milieux de santé. Au lieu de recourir à des produits chimiques agressifs ou à des antibiotiques, ces surfaces tirent leurs propriétés antibactériennes de leur propre structure.

Ces surfaces présentent un revêtement unique de motifs microscopiques inspirés de la texture de la peau de requin. Mesurés à environ 3 microns de hauteur et 2 microns de largeur, ces motifs sont imperceptibles à l’œil nu ou au toucher. L’entreprise développe plusieurs variantes du micropattern Sharklet, les versions positives dépassant la surface tandis que les versions inversées sont enfoncées dans le matériau.

Le motif est né en 2002, lorsque le professeur de science des matériaux et d’ingénierie, le Dr Anthony Brennan, a trouvé la solution au problème d’algues recouvrant les coques de navires et de sous‑marins. En examinant l’impression de la peau de requin avec la microscopie électronique à balayage, he a découvert qu’elle était organisée en un motif en losange avec de minuscules nervures qui empêchent le dépôt de micro‑organismes.

#3. BioMASON

Dans le secteur des infrastructures, cette entreprise utilise la biomimétique pour produire du ciment, qui représente 8 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Pour réduire l’impact climatique de la construction alors que la demande de ciment augmente, BioMASON a changé sa façon de produire du ciment.

L’entreprise, qui commercialise sa technologie auprès d’autres sociétés, s’est inspirée de l’une des structures les plus robustes et durables de la nature : les récifs coralliens. En imitant la formation naturelle de carbonate de calcium dans les coquilles et les récifs coralliens, BioMASON adopte un processus similaire pour fabriquer son biociment au lieu de chauffer le calcaire afin d’en extraire le carbone.

Elle vise désormais à utiliser la biomimétique pour créer des matériaux solides et durables pour les bâtiments. Elle incorpore des agrégats provenant de déchets miniers et utilise des micro‑organismes comme liant pour ces agrégats, s’appuyant sur la chaleur du soleil pour le séchage après nettoyage. L’entreprise a obtenu un financement de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) pour développer du ciment marin vivant ingénieré. De plus, le projet MEDUSA est en cours, visant à construire des pistes et des structures de niveau militaire dans des zones reculées en utilisant des micro‑organismes.

Conclusion

Comme le dit Wang, les cicadelles et d’autres insectes « ne sont pas des parasites ; ils sont des sources d’inspiration. » Depuis des années, les scientifiques étudient la nature et s’en servent pour concevoir des produits, comme nous l’avons souligné précédemment. Grâce à la recherche continue, aux résultats prometteurs et à leurs applications ultérieures dans des domaines tels que le camouflage multispectral, le chiffrement optique et les revêtements antireflet omnidirectionnels, des études comme celle des brochosomes antireflet des cicadelles peuvent conduire à de nombreuses avancées technologiques et engendrer d’immenses changements dans divers secteurs.

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