Des capteurs de gaz intelligents inspirés de la biologie

Les structures biologiques inspirent depuis longtemps les scientifiques qui y trouvent de l’inspiration afin de développer de nouvelles technologies. Ainsi, c’est en étudiant les changements de couleur d'insectes induits par des liquides, des vapeurs et des gaz, que Sébastien Mouchet, postdoctorant à l’Université d’Exeter (Royaume-Uni) et ancien doctorant du Département de physique de l’UNamur, a fait une avancée dans la recherche d’optimisation de capteurs optiques. Son étude et l’invention du nouveau concept de « cellule photonique », réalisées avec ses collègues de l’UNamur lui ont valu une publication dans la revue Scientific Reports.

Les ailes de coléoptères comme modèle

Observez un coléoptère… Déposez une goutte d’eau sur ses ailes. Vous remarquerez alors que leur couleur passera du bleu au vert. Ce phénomène s’applique chez plusieurs insectes. Il est dû à la structure photonique particulière de leurs écailles. Composées de cristaux photoniques, les structures des écailles produisent des couleurs “structurales” iridescentes qui changent avec l’angle d’observation. Les systèmes optiques renfermés dans ces structures sont très complexes. Leurs dimensions avoisinent les longueurs d’onde de la lumière visible. Des études ont démontré que ces changements de couleur peuvent être provoqués par des variations de la composition de l’atmosphère ambiante : l’eau, les gaz ou encore les vapeurs.

Afin de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de réponse optique à l’origine de ces phénomènes, Sébastien Mouchet a réalisé une étude physico-chimique des changements de couleur des ailes du coléoptère Hoplia coerulea induits par différents liquides, gaz et vapeurs. L’étude a mis en évidence le rôle de l’enveloppe extérieure des écailles dans le changement de couleur. Cette enveloppe contrôle en effet le passage des liquides à l’intérieur de la structure photonique. De cette étude est né le nouveau concept de « cellule photonique » pour définir le rôle de cette enveloppe.

Imiter la nature pour proposer des capteurs de gaz intelligents

Le chercheur espère désormais s’inspirer des  structures photoniques naturelles étudiées afin d’élaborer des modèles photoniques capables de prédire les variations de couleurs et de proposer de nouveaux types de capteurs de gaz. Produire artificiellement des cellules photoniques pourrait permettre aux scientifiques de développer une nouvelle catégorie de matériaux photoniques intelligents. Prenons l’exemple des senseurs de gaz et de vapeurs : au contact de gaz et vapeurs, ces cellules changeraient de couleur, permettant de mettre en évidence ces substances dans une pièce. « On peut imaginer des peintures contenant de telles cellules qui sont fonctionnalisées afin de détecter sélectivement des substances volatiles spécifiques. A l’intérieur de bâtiments industriels et domestiques, par exemple, une surface peinte pourraient changer de couleur en présence de vapeurs ou gaz dangereux », explique Sébastien Mouchet.

De nombreuses applications dans le domaine scientifique

L’observation du métabolisme de cellules biologiques par les scientifiques pourrait également être révolutionnée par la création de cellules photoniques. Si l’on dispersait de telles cellules photoniques sous forme de paillettes dans un milieu de culture biologique, elles changeraient de couleur en fonction des substances produites ou consommées par les cellules biologiques. Cela permet de détecter visuellement (via la couleur) l’activité des cellules biologiques du milieu de culture, précise le chercheur.

Référence:
Sébastien Mouchet, Eloise Van Hooijdonk, Victoria L. Welch, Pierre Louette, Jean-François Colomer, Bao-Lian Su, Olivier Deparis, Département de Physique et Département de Chimie, UNamur, Liquid-induced colour change in a beetle: the concept of a photonic cell, Scientific Reports 6, 19322, 2016.

Article complet: http://www.nature.com/articles/srep19322

L.G.

Plus d'info : https://youtu.be/2tYw9QGMZO8