Get best of the week

Ailes absorbant la lumière: le secret des papillons super noirs



«Les rives blanches et au-delà, les lointaines collines vertes sous le soleil levant» est l'une des descriptions les plus célèbres de la «poursuite du voyage» exprimée par Gandalf dans le film «Le Seigneur des anneaux». Si nous rejetons le sous-texte philosophique, cette image semblera banale pour certains et incroyablement belle pour certains. Ici, comme on dit, à chacun le sien, car la beauté est dans l'œil du spectateur. Peu importe ce qu'une personne aime admirer, que ce soit un coucher de soleil ou une surface de la mer, la physique de ces objets de plaisir esthétique reste immuable. Différents matériaux interagissent avec la lumière de différentes manières, ce qui entraîne une si grande variation du spectre de couleurs. Mais il existe des matériaux qui ne réfléchissent pratiquement pas la lumière, en absorbant la majeure partie. Parmi les matériaux synthétiques, il convient de souligner Vantablack, qui absorbe jusqu'à 99,965% des radiations. Ainsi, les scientifiques de l'Université Duke ont découvertque les ailes de certains types de papillons ont des caractéristiques tout à fait comparables, tout en étant plusieurs fois plus minces que toutes les substances créées par l'homme. À quel point les ailes des papillons sont-elles noires, pourquoi absorbent-elles les radiations et comment mettre ces résultats en pratique? Un rapport de scientifiques nous en parlera. Aller.

Base d'étude


Lorsqu'il s'agit de créer un matériau «super noir» qui absorbe presque tout le rayonnement, l'accent n'est pas mis sur les produits chimiques, mais plutôt sur leur architecture interne. Ainsi, par exemple, Vantablack est constitué de nanotubes de carbone alignés verticalement. Cependant, un tel matériau est extrêmement fragile, ce qui limite fortement le domaine de son application.


Une petite vidéo sur Vantablack.

Contrairement aux matériaux synthétiques à fort coefficient d'absorption et, par conséquent, à faible coefficient de réflexion, il en existe des naturels (charbon, suie, noir de platine, etc.).

Si nous parlons de choses vivantes, et non de différents minéraux, alors ici la nature ne broute pas non plus l'arrière. Chez certaines espèces d'araignées de cheval, d'oiseaux et de papillons, la couleur est comparable en propriétés à Vantablack.

Ainsi, la réflectivité des ailes des papillons de la famille des Papilionidae est de 0,2%, ce qui est dû à leur structure en nid d'abeille polydisperse. Et ici, la question se pose: toutes les espèces de la famille des Papilionidae ont-elles la même structure alaire?


Pachliopta kotzebuea est une espèce de papillons de la famille des Papilionidae.

Les ailes de papillon, malgré leur fragilité, sont assez complexes dans leur structure, et c'est une tendance inhérente à toutes les espèces de toutes les familles. L'essentiel est que cette structure peut différer et permettre la mise en œuvre de divers processus physiques.

Un examen détaillé de l'aile papillon Papilionidae nous permet de voir que l'absorption du rayonnement est due à deux couches d'écailles microscopiques, dont la taille ne dépasse parfois pas 2,5 microns. Une plaque à motif en forme de structure quasi-nid d'abeille constituée de nervures transversales reliant les bords est située sur la partie supérieure des écailles.


Flocons d'aile de papillon comme illustré par l'espèce Gonepteryx cleopatra (Clematra lemongrass).

Un tel intérêt vif pour les papillons dans l'aspect de l'étude des matériaux ultra-noirs est dû, selon les scientifiques, pour un certain nombre de raisons: les papillons ont plusieurs types d'échelles différentes dans leur spécialisation, y compris les réflecteurs multicouches et les films minces; les écailles sont beaucoup plus minces que d'autres matériaux naturels ultra-noirs et analogues synthétiques; Les flocons sont suffisamment légers et durables pour permettre le vol.

Des études antérieures ont montré que des trous à l'échelle nanométrique (240 nm) dans la plaque supérieure des flocons permettent à la lumière de pénétrer à l'intérieur des flocons, où elle est absorbée par la mélanine, qui se lie à la chitine dans la cuticule. Il a également été constaté que ces plaques absorbent plus de lumière que les plaques sans trous. Mais il n'a pas encore été possible de déterminer précisément la finalité des nervures structurales restreignant ces trous. Certains scientifiques pensent qu'une telle structure permet une augmentation de l'absorption lumineuse due à la direction de la lumière dans le trou.

Dans l'étude que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques ont décidé d'examiner ces échelles mystérieuses plus en détail afin de décrire plus précisément à la fois leur structure et leurs propriétés d'absorption de la lumière. Pour cela, la spectrophotométrie, la microscopie électronique à balayage (MEB) et la modélisation des différences de temps finies dans le domaine temporel ont été utilisées.

Les résultats préliminaires sont que, malgré des différences importantes dans la taille et la forme des nano-trous, toutes les écailles ultra-noires ont des bords raides et des trabécules, qui sont beaucoup plus profonds et plus larges que les écailles noires ou brunes ordinaires. La modélisation optique a confirmé que ces caractéristiques structurelles sont essentielles dans un coefficient de réflexion aussi bas et que la suppression de l'une d'entre elles augmente fortement le coefficient de réflexion de plus d'un ordre de grandeur. Il est également évident qu'une telle structure en flocons augmente la zone d'absorption de la lumière. Pour tenter d'expliquer l'application pratique des ailes ultra-noires, les scientifiques ont avancé une théorie: puisque tous les papillons ont des sections super-noires de l'aile qui bordent toujours des zones de couleur différente (blanc, rouge, etc.), cela peut être nécessaire pour augmenter la luminosité et la saturation des couleurs perçues,ce qui est appliqué dans la communication interspécifique et intraspécifique.

Résultats de recherche


Pour étudier la diversité potentielle des nanostructures sous-jacentes à la couleur super noire des papillons, les scientifiques ont sélectionné 10 espèces de papillons dans quatre sous-familles: Papilioninae , Biblidinae , Danainae et Heliconinae . Des papillons de couleur brune et noire ordinaire ont également été sélectionnés comme groupe témoin.


Image n ° 1: réflectivité de différents groupes de papillons en fonction de la longueur d'onde de rayonnement.

Dans tous les papillons du groupe super-noir, la réflectivité était de 0,06% à 0,4% avec une lumière incidente perpendiculaire (500 nm). Chez les papillons du groupe témoin, ce paramètre variait de 1 à 3%.


Image n ° 2: diversité morphologique de la structure des écailles de l'aile des papillons du groupe super-noir.

Les matériaux ultra-noirs dépendent en fin de compte d'un pigment absorbant intégré dans une structure complexe. Tout d'abord, une évaluation a été faite de la structure de 11 papillons (7 superblack, 4 témoins) en utilisant SEM. Dans tous les papillons, les flocons avaient une couche supérieure perforée de trous quasi-périodiques. Il y avait des différences significatives dans la forme et la taille des trous: sous la forme d'un chevron dans Eunica chlorocroa ; ouvertures rectangulaires (500x330 nm) pour Catonephele antinoe , Catonephele numilia et Heliconius doris ; ouvertures rectangulaires (750x500 nm) pour Euploea Dufresne et Euploea Klugi .

Il est à noter qu'aucun des papillons nymphalides (sous-familles Biblidinae , Danainae et Heliconinae ) n'avait une structure en nid d'abeilles similaire à celle trouvée chez les papillionidés (famille des Papilionidae ).

L'absence d'une structure en nid d'abeilles en combinaison avec une variété de taille et de forme des trous suggère que l'absorption lumineuse des papillons ne dépend pas de la forme ou de la taille spécifique des trous. Cependant, certains des changements individuels dans la forme du trou aident probablement à augmenter l'absorption à des angles anormaux d'incidence de la lumière.


Une variété de formes et de tailles de nano-trous par espèce parmi les papillons ultra-noirs: A - Catonephele antinoe; B — Catonephele numilia (); C — Catonephele numilia (); D — Eunica chlorocroa; E — Euploea dufresne; F — Euploea midamus; G — Euploea klugi; H — Heliconius doris; I — Heliconius ismenius; J — Napeocles jucunda; K — Trogonoptera brookiana (); L — Trogonoptera brookiana ().

Deux caractéristiques structurelles communes ont été trouvées dans tous les échantillons de papillons super-noirs: des bords raides et des trabécules durables reliant les plaques supérieure et inférieure. Dans les échantillons du groupe témoin, les ouvertures étaient beaucoup plus grandes et les trabécules étaient bien plus petites ou complètement absentes.


Les trabécules (surlignées en rouge) chez les mâles des espèces de papillons super-noirs sont plus grandes que chez les femelles du groupe témoin: A - Trogonoptera brookiana (femelle); B - Trogonoptera brookiana (mâle); C - Catonephele numilia (femelle); D - Catonephele numilia (mâle).

Ces différences indiquent directement l'importance des caractéristiques structurelles révélées pour obtenir une faible réflectivité des ailes.



Il est curieux que les ailes de papillons ultra-noirs, où des nano-trous et de grandes trabécules ont été trouvés, même après les avoir recouverts d'or (pour effectuer des études REM), aient conservé leur couleur noire (photo ci-dessus).

Les observations ont permis d'obtenir des données précieuses qui ont été utilisées dans la simulation: la contribution des caractéristiques géométriques identifiées de l'aile papillon à la formation de la réflectivité a été évaluée.

Étant donné que le flocon de l'aile peut avoir une faible réflectivité et même être transparent (comme les papillons de nuit), la réflectivité a été calculée sur deux flocons qui se chevauchent sur une surface 100% blanche.

En utilisant la méthode des différences de temps finies, la réflectivité d'une structure à ouvertures rectangulaires de 500x330 nm a été modélisée pour un papillon de l'espèce C. antinoe (la plus noire de toutes les espèces étudiées).

Ensuite, une simulation similaire a été effectuée, mais avec des côtes, des trabécules ou des plaques basales enlevées. En conséquence, un modèle de flocon d'aile papillon a été obtenu avec une réflectance dans la plage de 0,4 à 1,0% sur toute la partie visible du spectre.


Image n ° 3: résultats de simulation. Désignations de couleurs: bleu - un modèle d'une échelle à part entière; écailles rouges avec trabécules enlevées; jaune - flocon avec les côtes enlevées; Violet- avec plaques basales enlevées; brun - avec les trabécules et les côtes enlevées; vert - un bloc rectangulaire du même volume de matériau absorbant que dans un flocon conventionnel.

Cet indicateur était 14 à 40 fois inférieur à celui de la modélisation utilisant deux plaques plates se chevauchant du même matériau absorbant que les flocons.

C'est-à-dire que l'élimination des nervures ou de toute la structure interne du flocon a entraîné une augmentation de la réflectance de 3 à 16 fois. Si vous retirez un volume comparable de matériau réfléchissant sans toucher à la géométrie du flocon lui-même, la réflectivité n'augmente que deux fois. Quant à la suppression des plaques basales, les changements de cet indicateur étaient extrêmement insignifiants.

Ensuite, il a été décidé de considérer la contribution de la géométrie à la formation de la réflectivité sans la participation d'un matériau absorbant. Pour cela, des écailles à côtes et trabécules transparentes ont été modélisées.

Ce test a montré que seuls les bords de la structure en flocons réduisent la réflectivité de 14 à 58% par rapport aux flocons dans lesquels il n'y a aucun bord. Les trabécules réduisent cependant la réflectivité de 5 à 70% par rapport aux flocons où elles ne le sont pas du tout.


Image n ° 4: comparaison de la réflectivité des flocons sans trabécules et avec des trabécules transparentes (à gauche); comparaison de la réflectivité des flocons sans bords et avec bords transparents (à droite).

Après avoir analysé la géométrie, les scientifiques ont commencé à analyser le pigment de mélanine afin de découvrir l'importance de ses propriétés optiques dans la formation de la réflectivité générale de l'aile du papillon. La mélanine a un indice de réfraction réel ( n ) et imaginaire ( k ) inhabituellement élevé pour le matériel biologique.

En utilisant les caractéristiques morphologiques de la structure des flocons, la réflectivité a été simulée à 550 nm en utilisant 99 combinaisons uniques des parties réelles et imaginaires de l'indice de réfraction. La partie réelle mesurée de l'indice de réfraction était de n = 1,33 (eau) à n = 1,8 (mélanine), et la partie imaginaire de k = 0,0 (sans absorption) à k = 0,20.


Image n ° 5: la réflectivité est principalement déterminée par la partie imaginaire de l'indice de réfraction.

Sans absorption, la réflectivité de deux flocons situés sur un fond blanc se rapproche de 100%, mais à k = 0,06, elle commence à diminuer de 1%. L'effet de l'indice de réfraction réel domine l'action de l'imaginaire jusqu'à k > 0,06. Pour un flocon avec une partie imaginaire élevée ( k > 0,10), la situation change et la partie réelle de l'indice de réfraction devient responsable de l'augmentation de la réflectivité. Par exemple, lorsque k = 0,15, la réflectivité à n = 1,33 est inférieure de 88% à n = 1,8. Lorsque 0,06 < k<0,10, la réflectance dépend des deux composantes de l'indice de réfraction.

Cela suggère que pour atteindre la réflectivité observée dans les papillons ultra-noirs, la mélanine n'est pas nécessaire, seul un matériau absorbant est nécessaire (idéalement, le matériau avec la partie réelle de l'indice de réfraction est inférieur à celui de la mélanine).

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue


Cette étude a montré que les papillons de certaines espèces ont des structures nanométriques uniques dans leurs ailes, qui fournissent une réflectivité ne dépassant pas 0,06% du rayonnement à un angle de 90 °.

Il a été constaté qu'entre les flocons couvrant les ailes des papillons, il y a des trabécules qui augmentent la surface pour absorber le rayonnement de la mélanine cuticulaire.

Ainsi, cette structure super noire est comparable aux structures synthétiques, sauf qu'elle ne représente que 1/5 de leur épaisseur. Par conséquent, si nous prenons les ailes des papillons comme base, nous pouvons essayer de recréer un certain analogue synthétique qui aura une réflectivité similaire et sera également mince, mais fort.

Selon les chercheurs eux-mêmes, leurs travaux présentent un grand intérêt non seulement pour les ingénieurs et les nanotechnologues, mais aussi pour les zoologistes (en particulier les lépidoptérologues étudiant les papillons), car on ne sait pas pourquoi les papillons sont si complexes. Peut-être qu'une telle couleur inhabituelle est nécessaire pour attirer l'attention d'un partenaire ou pour effrayer les prédateurs, il n'y a pas encore de réponse exacte. Les scientifiques ont également l'intention de poursuivre leurs recherches, en se concentrant sur la composante évolutionnaire. Ils veulent savoir combien de couleur super noire dans les ailes des papillons s'est manifestée le long de leur chemin évolutif. De cette façon, ils pourront comprendre pourquoi c'est la structure des écailles actuellement observée qui est devenue dominante, et aussi ce qui a influencé sa formation.

Peu importe ce que les scientifiques découvriront à l'avenir, leurs travaux sont devenus une autre confirmation que la nature a encore quelque chose à nous surprendre.

Vendredi off-top:

« » «».

Merci de votre attention, restez curieux et passez un bon week-end à tous, les gars! :)

Un peu de publicité :)


Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis, VPS cloud pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventé pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbit / s à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! En savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe c utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?

More articles:


All Articles