Un fil d’araignée en guise de super-lentille

On a montré récemment que des microsphères ou des microcylindres transparents pouvaient jouer le rôle de ” super-lentilles ” qui permettent d’observer des objets de taille inférieure à la limite de diffraction. Leur fabrication reste compliquée et nécessite de nombreuses et délicates opérations. Des chercheurs de l’Université de Bangor et de l’Université d’Oxford en Angleterre viennent de montrer qu’un simple fragment de fil de soie d’araignée pouvait jouer le rôle de super-lentille et fournir l’image d’un objet avec une limite de résolution 6 fois inférieure à celle due à la diffraction.

Une onde subit une diffraction quand elle rencontre une ouverture. On explique ce phénomène par l’interférence des ondes réémises par tous les points de l’ouverture. Il limite le pouvoir de résolution d’un instrument d’optique, plus petite distance x entre deux points qu’il est à même de séparer. Pour un objectif de diamètre d’ouverture D  et de distance focale f utilisé avec un éclairage monochromatique de longueur d’onde λ, cette distance x limitée par la diffraction de la lumière vaut λ /2NA, NA = f/D étant l’ouverture numérique de l’objectif . On a typiquement en lumière blanche avec les meilleurs microscopes optiques x ≈ 0,33 µm = 330 nm.

 

Champ lointain et champ proche

La limite de résolution due à la diffraction est associée à ce qu’on appelle le champ lointain. Il s’agit des ondes électromagnétiques qui se propagent de l’éclairage à l’objet et, réciproquement, de l’objet à l’instrument d’optique. Mais, à la surface de l’objet, ces ondes se transforment en ondes dites évanescentes dont l’amplitude diminue exponentiellement en pénétrant l’échantillon. C’est ce que l’on appelle les ondes de champ proche. Elles contiennent des informations sur l’objet d’une taille bien inférieure à la limite de résolution de diffraction. Tout l’objet de la microscopie en champ proche consiste à observer les ondes évanescentes en les couplant au champ lointain. Depuis une vingtaine d’années, on a utilisé pour cela des techniques de balayage basées sur des lasers monochromatiques qui ne pouvaient fonctionner en lumière blanche. Wang et al. ont alors proposé en 2011 un système utilisant comme super-lentilles des microsphères ou des microcylindres de 5 à 10 µm déposés sur l’échantillon. Ce système fonctionnant en lumière blanche atteignait un pouvoir séparateur de 50 nm, bien inférieur aux longueurs d’onde du visible (446 à 700 nm).

 

La lentille cylindrique en soie d’araignée

Ces chercheurs ont eu alors l’idée de remplacer ces dispositifs de fabrication très délicate par un fil de soie d’araignée. Ils ont trouvé que les fils de l’araignée Nephila edulis convenaient parfaitement. La figure 1 ci-dessous schématise leur montage. Un simple ruban adhésif transparent maintient la super-lentille cylindrique en soie d’araignée de 6,8 µm de diamètre et d’indice de réfraction de 1,55 au contact de l’échantillon. Pour obtenir des fils du diamètre voulu, la soie est déroulée directement à partir d’une des glandes séricigènes de Nephila edulis, appelée glande ampullacée mineure.

Fig.1. La super-lentille en soie d'araignée erlentille en soie d'araignée a) L'araignée Nephila edulis sur sa toile. b) Schéma de l'imagerie par réflexion à l'aide d'une super-lentille en soie d'araignée. Le fil de soie est directement placé sur la surface de l'objet(ici un fragment de disque Blue -Ray)e t maintenu en place par un ruban adhésif transparent. Les espaces entre soie et objet sont remplis d'alcool isopropylique (indice de réfraction 1,377) qui améliore le contact optique. La super-lentille cylindrique en soie d'araignée collecte l'information en champ proche de l'objet et en projette une image agrandie dans un objectif de microscope standard (grossissement 100x, Na = 0,9). Adapté avec autorisation de "Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang Nano Lett. August 17, 2016, published on line". Copyright (2016) American Chemical Society.

Fig.1. La super-lentille en soie d’araignée erlentille en soie d’araignée
a) L’araignée Nephila edulis sur sa toile.
b) Schéma de l’imagerie par réflexion à l’aide d’une super-lentille en soie d’araignée.
Le fil de soie est directement placé sur la surface de l’objet(ici un fragment de disque Blue -Ray)e t maintenu en place par un ruban adhésif transparent. Les espaces entre soie et objet sont remplis d’alcool isopropylique (indice de réfraction 1,377) qui améliore le contact optique. La super-lentille cylindrique en soie d’araignée collecte l’information en champ proche de l’objet et en projette une image agrandie dans un objectif de microscope standard (grossissement 100x, Na = 0,9).
Adapté avec autorisation de “Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens
James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang
Nano Lett. August 17, 2016, published on line”. Copyright (2016) American Chemical Society.

 

Les objets sont observés en réflexion avec un microscope éclairé en lumière blanche par une lampe halogène dont le maximum d’intensité est à la longueur d’onde λ = 600 nm. La fibre de soie constitue une microlentille. Celle-ci, en contact serré et adapté optiquement par l’alcool isopropylique avec l’objet à imager, transfère les ondes évanescentes de l’objet à l’objectif de microscope à champ lointain. C’est à cette conversion de champ proche à champ lointain qu’est due la super-résolution. Celle atteinte avec le fil de soie d’araignée est de 100 nm, soit λ/6, bien au dessous de la limite de diffraction, λ /2NA. 333 nm. On peut l’apprécier sur la figure ci-dessous.

Fig.2. Exemple d'images obtenues par microscopie en champ proche à l'aide du fil de soie d'araignée. a) Vue au microscope optique d'un circuit intégré avec un motif linéaire d'environ 400 nm, donc résolu optiquement. b) Vue correspondante agrandie par le fil de soie de 6,8 µm de diamètre. On voit le grossissement (2,1) dû au fil de soie c) Surface d'un disque Blue-Ray du commerce vue au microscope électronique à balayage. La largeur d'un canal est de l'ordre de 100 nm. d) Cette largeur est résolue par la super-lentille en soie d'araignée dans la zone B. Adapté avec autorisation de "Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang Nano Lett. August 17, 2016, published on line". Copyright (2016) American Chemical Society.

Fig.2. Exemple d’images obtenues par microscopie en champ proche
à l’aide du fil de soie d’araignée.
a) Vue au microscope optique d’un circuit intégré avec un motif linéaire d’environ 400 nm, donc résolu optiquement.
b) Vue correspondante agrandie par le fil de soie de 6,8 µm de diamètre. On voit le grossissement (2,1) dû au fil de soie.
c) Surface d’un disque Blue-Ray du commerce vue au microscope électronique à balayage. La largeur d’un canal est de l’ordre de 100 nm.
d) Cette largeur est résolue par la super-lentille en soie d’araignée dans la zone B.
Adapté avec autorisation de “Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens
James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang
Nano Lett. August 17, 2016, published on line”. Copyright (2016) American Chemical Society.

La lentille cylindrique que constitue le fil de soie d’araignée est un système grossissant à une dimension, elle grandit un objet perpendiculairement à son axe. C’est un système grossissant anisotrope. On peut s’en rendre compte sur la figure 2.b où il existe un angle entre les lignes de l’objet et leur image générée par le fil de soie. Des effets d’éclairage et d’interférences limitent l’image du réseau du disque Blue-Ray de la figure 2.d à la zone B de l’image , les zones A et C correspondant à de “fausses images”. On doit dans l’interprétation des résultats prendre garde à ces images artificielles qu’on peut distinguer par rotation de l’échantillon.

La figure 3. compare les images du réseau d’un disque Blue Ray obtenues en réflexion avec, respectivement, une microsphère en titanate de Baryum et un fil de soie de même diamètre. Le fil d’araignée résout nettement le motif de 100 nm  mais  l’image obtenue fait un angle avec la direction de l’objet, à la différence de celle donnée par la microsphère.

 Fig 3. Images en réflexion d'un disque Blue Ray avec une microsphère placée à côté du fil de soie L'image résolue par le fil de soie fait environ 4° avec les sillons du disque visibles avec la microsphère. Adapté avec autorisation de"Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang Nano Lett. August 17, 2016, published on line". Copyright (2016) American Chemical Society.


Fig 3. Images en réflexion d’un disque Blue Ray obtenues avec une microsphère placée à côté du fil de soie et avec ce dernier
L’image résolue par le fil de soie fait environ 4° avec les sillons du disque visibles avec la microsphère de titanate de Baryum.
Adapté avec autorisation de “Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens
James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang
Nano Lett. August 17, 2016, published on line”. Copyright (2016) American Chemical Society.

L’utilisation de la soie présente un net avantage, c’est que la fenêtre de vue s’étend sur toute la longueur de la fibre. Elle peut atteindre aisément plusieurs centimètres. Cela ouvre une perspective d’image de grande surface en super résolution. On peut imaginer  en effet de faire tourner la microlentille en soie pour  capturer ainsi des images sous divers angles.  A partir de celles-ci,  un logiciel reconstruirait une image à super résolution d’une taille de plusieurs centimètres carrés. Les chercheurs envisagent donc d’attacher le fil de soie à une nano-platine rotative intégrée à un microscope optique. Cette amélioration technique d’envergure est à leur programme.

Elle devrait conduire à la réalisation industrielle d’un  nanoscope à fil d’araignée, instrument robuste et économique qui trouverait  un grand nombre d’applications.

 

 

Pour en savoir plus :

Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens

James N. Monks, Bing Yan, Nicholas Hawkins, Fritz Vollrath, and Zengbo Wang

Nano Lett. August 17, 2016, published on line

 

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