Réfléchir l’infrarouge en s’inspirant des calmars !

Des systèmes qui reflètent le rayonnement dans la bande infrarouge (longueur d’onde≈0,7 mm à ≈1 mm) du spectre électromagnétique ont une grande importance technique. On en a besoin dans des domaines aussi variés que l’isolation thermique des immeubles, de certains composants des vaisseaux spatiaux et de dispositifs électroniques, ou encore pour les vêtements de protection et les systèmes de camouflage. Si, en outre, leurs propriétés réflectives peuvent s’adapter en réponse à des stimuli externes, ils n’en seront que plus utiles. C’est ce que des chercheurs de l’University of California, Irvine, USA, ont réussi à obtenir en s’inspirant  des variations d’apparence de la peau des céphalopodes.

Les céphalopodes sont des mollusques dont le corps est formé d’une tête munie de tentacules. Les plus connus sont les pieuvres ou poulpes, les calmars et les seiches. Ils sont caractérisés par l’absence de coquille et appartiennent à la sous-classe des coléoïdes.

Un système adaptatif de réflexion infrarouge devrait reposer sur un mécanisme simple d’activation et de réponse rapide, pouvoir fonctionner à la température ambiante ou une plus basse, être accordable sur un domaine spectral étendu, avoir une bonne reproductibilité et enfin être robuste et facile à fabriquer. Ce sont ces qualités que  les chercheurs se sont efforcés d’atteindre alors que les divers mécanismes essayés auparavant étaient loin d’y parvenir.

Une peau bien expressive !

La peau des céphalopodes coléoïdes est souple et flexible. Elle permet les changements d’aspect de l’animal qu’illustre la Fig.1.

Fig.1. Images des variations d’aspect de la peau du’uncalmar A, B : Photographies d’un changement d’apparence d’un calmar devant un fond rocheux. C : Image de la peau d’un calmar. Les taches circulaires jaunes, rouges et brunes sont des chromatophores et les régions brillamment iridescentes sous-jacentes sont des iridocytes. Reproduit avec autorisation de Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods, Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018. Les images A, B, proviennent d’une vidéo due à Henrik Steenfeldt (Youtube CCA License). Vous pouvez la voir ci-dessous. L’image C est due à M. Layne CCA 2.0 Wikimedia

Fig.1. Images des variations d’aspect de la peau d’un calmar
A, B) Photographies d’un changement d’apparence d’un calmar devant un fond rocheux.
C) Image de la peau d’un calmar. Les taches circulaires jaunes, rouges et brunes sont des chromatophores et les régions brillamment iridescentes sous-jacentes sont des iridocytes.
Reproduit avec autorisation de Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods, Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky
SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018.
Les images A, B, proviennent d’une vidéo due à Henrik Steenfeldt (Youtube CCA License). Vous pouvez en voir un extrait ci-dessous. L’image C est due à M. Layne CCA 2.0 Wikimedia

Crédit Henrik Steenfeldt. CCA

 

La peau de ces céphalopodes contient deux types de cellules adaptatives : des cellules pigmentaires appelées chromatophores, et des cellules réfléchissantes appelées iridocytes.
Les chromatophores (Fig.2. A) contiennent des petits sacs remplis de granules de pigment. Ces sacs se dilatent ou se contractent sous l’action des muscles radiaux des cellules.
Les iridocytes (Fig.2.B) contiennent des nano-couches de protéines séparées par un milieu extracellulaire. Cette structure rappelle celle des miroirs de Bragg.

Un miroir de Bragg est un empilement de plusieurs couches d’indices de réfraction différents. Pour une longueur d’onde donnée, la longueur d’onde de Bragg,  la réflexion est maximum. 

Ces paquets de nano-couches ont une géométrie et des différences d’indice de réfraction qui varient sous l’effet de signaux biologiques en cascade, d’où des variations de réflectivité à diverses longueurs d’onde.

Des systèmes de réflexion de l’infrarouge inspirés des céphalopodes

La figure 2 ci-dessous schématise dans ses deux tiers supérieurs le mécanisme de changement des couleurs de la peau des céphalopodes et dans son tiers inférieur le système réfléchissant l’infrarouge construit par les chercheurs par analogie avec les variations  dans le visible de la peau des calmars.
Ils ont conçu un dispositif en forme de condensateur à plaques parallèles avec des électrodes conductrices déposées de part et d’autre d’une membrane diélectrique (isolante) en élastomère (Fig.2 C,D). L’électrode supérieure est recouverte d’une couche réfléchissant l’infrarouge.
Avant d’être étiré mécaniquement, les dispositifs ont une petite surface active déformable, comme celle des chromatophores, elle est recouverte d’un arrangement dense de microstructures réfléchissantes de géométrie variable, correspondant aux iridocytes.

L’activation mécanique augmente la surface des dispositifs  , ce qui module la quantité de lumière infra-rouge absorbée, de façon analogue aux chromatophores des céphalopodes (Fig.2. C, à droite) en même temps que la modification géométrique des surfaces actives module l’intensité de la lumière infra-rouge réfléchie, à la manière des iridocytes (Fig.2.D,à droite).

Fig.2. Schéma du système de réflexion infra-rouge inspiré par les la peau des céphalopodes A) Schéma d’un chromatophore de céphalopode : Une cellule pigmentaire centrale est entourée de cellules musculaires. Elle contient des sacs de granules de pigment (inserts) et subit contraction et expansion sous l’action mécanique des cellules musculaires. Le chromatophore joue le rôle d’un filtre spectral biologique qui absorbe et réfléchit la lumière visible de longueur d’onde donnée. B) Schéma d’un iridocyte. Il contient une alternance de couches de protéine contenus dans une membrane et de lames de milieu extracellulaire (inserts). La géométrie et les différents indices de réfraction en sont modifiés sous l’effet d’une cascade de signaux biochimiques. C) Schéma vu de haut du dispositif de réflexion infrarouge avant (à gauche) et après (à droite) une action mécanique qui s’exerce sur lui. D) Schéma vu de côté du dispositif précédent avant (à gauche) et après (à droite) une action mécanique. Reproduit avec autorisation de Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods, Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018

Fig.2. Schéma du système de réflexion infra-rouge inspiré par les la peau des céphalopodes
A) Schéma d’un chromatophore de céphalopode : Une cellule pigmentaire centrale est entourée de cellules musculaires. Elle contient des sacs de granules de pigment (inserts) et subit contraction et expansion sous l’action mécanique des cellules musculaires. Le chromatophore joue le rôle d’un filtre spectral biologique qui absorbe et réfléchit la lumière visible de longueur d’onde donnée.
B) Schéma d’un iridocyte. Il contient une alternance de couches de protéine contenus dans une membrane et de lames de milieu extracellulaire (inserts). La géométrie et les différents indices de réfraction en sont modifiés sous l’effet d’une cascade de signaux biochimiques.
C) Schéma vu de haut du dispositif de réflexion infrarouge avant (à gauche) et après (à droite) une action mécanique qui s’exerce sur lui.
D) Schéma vu de côté du dispositif précédent avant (à gauche) et après (à droite) une action mécanique.
Reproduit avec autorisation de Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods, Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky
SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018

 

Outre l’activation mécanique, les dispositifs peuvent être commandés électriquement par application d’un potentiel entre des électrodes. Ceci se révèle infiniment plus simple. La figure 3 ci-dessous en montre la souplesse. On y voit non seulement un dispositif isolé (Fig.3.A) mais aussi une matrice 3 x 3   de dispositifs (Fig.3.B) dont on peut faire varier par commande des électrodes l’image infrarouge captée par une caméra.

Fig.3. Modulation électrique de l’image infrarouge d’un dispositif isolé et d’une matrice de dispositifs A) -En haut : Schéma d’un dispositif exposé à un flux thermique constant avant (à gauche) et après (à droite) activation électrique. -En bas : Images obtenues à la caméra infrarouge du dispositif réel avant et après activation. B) -En haut : Schéma d’une matrice 3x3 de dispositifs, avant(à gauche) et après (à droite) activation électrique de différentes combinaisons. -En bas : Images correspondantes obtenues à la caméra infrarouge. Reproduit avec autorisation de Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods, Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018

Fig.3. Modulation électrique de l’image infrarouge d’un dispositif isolé et d’une matrice de dispositifs
A) -En haut : Schéma d’un dispositif exposé à un flux thermique constant avant (à gauche) et après (à droite) activation électrique.
-En bas : Images obtenues à la caméra infrarouge du dispositif réel avant et après activation. L’échelle de couleurs représentant la température est placée à droite de chaque image.
B) -En haut : Schéma d’une matrice 3×3 de dispositifs, avant (à gauche) et après (à droite) activation électrique de différentes combinaisons.
-En bas : Images correspondantes obtenues à la caméra infrarouge.
Reproduit avec autorisation de Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods, Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky
SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018

 

Ces systèmes transposent dans le domaine de l’infrarouge une grande partie des propriétés naturelles dans le  domaine visible de la peau des céphalopodes. Leurs caractéristiques excèdent déjà l’état de l’art en ce qui concerne la réflectivité infrarouge adaptative et les techniques du camouflage  dans ce domaine électromagnétique. Ces systèmes de fabrication simple peuvent être utilisés dans l’élaboration de muscles artificiels à base d’élastomères, dans la génération d’énergie et l’optique adaptative. Enfin, ils peuvent ouvrir la voie à de nouvelles technologies de thermorégulation.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods,
Chengyi Xu, George T. Stiubianu, Alon A. Gorodetsky
SCIENCE, 359,1495-1500 (2018) 30 march 2018