Le mystère des crevettes d'un blanc éclatant résolu – Physics World

Des chercheurs israéliens ont découvert la nanostructure optique unique qui donne à un charognard océanique sa couleur blanche brillante. En utilisant une gamme de techniques d'imagerie, une équipe dirigée par Benjamin Palmer de l'Université Ben Gourion du Néguev, en Israël, a montré que les particules sphériques des crevettes nettoyeuses du Pacifique diffusent la lumière entrante dans toutes les directions, tout en évitant tout chevauchement dans les motifs de diffusion qu'elles produisent. La découverte pourrait conduire à de nouveaux pigments blancs bio-inspirés.

De nombreux organismes ont développé la capacité de manipuler la lumière de manière unique et fascinante. L'imitation de ces mécanismes a conduit les chercheurs à de nouvelles conceptions pour plusieurs dispositifs optiques, notamment des lentilles et des miroirs. Des structures telles que les ailes de papillons et les plumes d'oiseaux ont également inspiré de nouveaux revêtements qui produisent des couleurs vives grâce à la lumière diffusée par leurs nanostructures.

Jusqu'à présent, cependant, une couleur s'est avérée particulièrement difficile à produire via ces moyens structurels, c'est-à-dire sans recourir à des pigments chimiques. "L'un des problèmes les plus intrigants est la recherche d'alternatives aux matériaux inorganiques qui donnent aux peintures blanches et aux colorants alimentaires leurs teintes blanchâtres", explique Dan Oron, membre de l'équipe de l'Institut Weizmann des sciences. "C'est parce que le matériau inorganique le plus couramment utilisé dans ces produits - le titane nanocristallin - est suspecté d'être nocif."

Surmonter l'encombrement optique

Le nœud du problème est que pour générer des teintes blanches, les photons de toutes les longueurs d'onde optiques doivent être diffusés plusieurs fois, de sorte qu'ils perdent complètement leurs informations directionnelles. Pour que cela se produise, les nanostructures responsables de la diffusion doivent être très serrées. Un tel empilement serré crée cependant le problème de «l'encombrement optique», où les motifs de diffusion se chevauchent, ce qui réduit la réflectance globale de la structure de diffusion.

Malgré ces défis, un animal a prouvé que les complexités de l'encombrement optique ne sont pas insurmontables. Habitant les récifs coralliens des tropiques, la crevette nettoyeuse du Pacifique est facilement reconnaissable à la couleur blanche frappante de ses antennes, de sa cuticule, de sa queue et de sa mâchoire, qui reflètent jusqu'à 80 % de la lumière entrante.

Imagerie et simulation avancées

Dans leur étude, Palmer et ses collègues se sont concentrés sur les nanostructures dans les cellules chromatophores des crevettes nettoyeuses, connues pour être responsables de leur teinte blanche brillante. En utilisant une combinaison de cryo-microscopie électronique et d'imagerie optique, ils ont caractérisé la structure, l'organisation et les propriétés optiques des particules de forme sphérique qui forment la couche de diffusion à l'intérieur des cellules. Ils ont également utilisé des simulations numériques de la propagation du champ électromagnétique pour comprendre la réponse optique du milieu diffusant dans son ensemble.

L'analyse de l'équipe a révélé que ces particules diffusent la lumière dans de nombreuses directions grâce à la structure et à l'agencement uniques des molécules plates qui constituent leurs éléments constitutifs. "Les particules sont des arrangements cristallins liquides de ces molécules planes", explique Oron. "Toutes ces molécules sont disposées de telle sorte que leur côté plat soit perpendiculaire au rayon de la sphère."

Dans l'ensemble, cette structure réduit considérablement la quantité de matériau nécessaire pour faire apparaître les antennes et les bandes de la crevette en blanc. Cela permet aux cellules chromatophores de la crevette nettoyeuse d'éliminer les effets de l'encombrement optique, tout en brouillant la polarisation des photons incidents lorsqu'ils se dispersent à partir des particules, détruisant ainsi leurs informations directionnelles. "Dans un sens, cette anisotropie optique fait que l'ensemble des sphères diffuse la lumière comme si elles étaient faites d'un matériau avec un indice de réfraction supérieur à celui qu'elles ont réellement", explique Oron.

Peintures blanches et colorants alimentaires plus sûrs

Les résultats sont un bon exemple de la façon dont les solutions évolutives d'organismes comme la crevette nettoyeuse peuvent inspirer des technologies optimisées. En imitant le mécanisme d'anisotropie optique de la crevette, l'équipe de Palmer espère que les chercheurs dans de futures études pourront concevoir des nanostructures organiques ultra-blanches avancées qui peuvent être utilisées sans danger dans des produits comme la peinture et les colorants alimentaires.

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"Plus généralement, les résultats soulignent le rôle que la forte anisotropie optique peut jouer en tant que paramètre de conception dans la construction de dispositifs optiques artificiels, à condition que nous puissions maîtriser la croissance d'arrangements cristallins similaires des bonnes molécules organiques", conclut Oron.

La recherche est décrite dans Nature Photonics.

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