Lorsque la plupart des gens voient une cicadelle dans leur jardin, ils ne remarquent guère plus qu’un minuscule insecte vert ou rayé sautant de feuille en feuille. Mais ces insectes sont en réalité des ingénieurs hors pair, capables de construire certaines des nanostructures naturelles les plus complexes connues, ce qui les rend invisibles pour nombre de leurs prédateurs. Leur secret réside dans les brochosomes : de minuscules nanostructures creuses que les cicadelles produisent naturellement et dont elles se recouvrent.
Une équipe de Penn State a désormais développé une plateforme à haute vitesse capable de produire des versions synthétiques de brochosomes à un rythme dépassant les 100 000 par seconde, une réalisation technologique qui pourrait conduire à un camouflage de nouvelle génération, des capteurs et d’autres avancées pour l’humanité.
« Chaque brochosome est plus petit qu’un grain de pollen mais possède une architecture étonnamment complexe, ressemblant à un ballon de football parfaitement structuré recouvert de pores à l’échelle nanométrique », a déclaré Tak-Sing Wong, professeur de génie mécanique et de génie biomédical.
Peu étudiés en dehors des cercles entomologiques, les brochosomes des cicadelles fascinent les scientifiques en raison de leur complexité et de leur comportement optique. La conception unique des brochosomes remplit un double objectif. L’un est d’absorber la lumière ultraviolette (UV), ce qui réduit la visibilité pour les prédateurs dotés d’une vision UV, comme les oiseaux et les reptiles, car la taille des trous est parfaite pour absorber la lumière à la fréquence UV. Ils diffusent également la lumière visible, créant un bouclier anti-reflet contre les menaces potentielles — il est si efficace que leurs ailes apparaissent presque non réfléchissantes, offrant un camouflage naturel contre les prédateurs.
Cette ruse de l’insecte a inspiré Wong et son équipe de recherche, qui avaient précédemment imité la nanostructure complexe des brochosomes pour fabriquer des versions synthétiques, mais à une échelle limitée. Désormais, la nouvelle plateforme de l’équipe peut produire des brochosomes synthétiques à un rythme estimé de 140 000 particules par seconde — un saut de productivité qui pourrait enfin rendre la version synthétique de ces particules pratique pour des technologies du monde réel, a expliqué Wong.
La co-autrice Jinsol Choi, chercheuse postdoctorale dans le groupe de Wong, a précisé que de nombreuses applications potentielles — des surfaces non réfléchissantes pour des capes d’invisibilité aux catalyseurs à grande surface spécifique et aux matériaux de détection — nécessitent d’énormes quantités de nanoparticules finement conçues, et que la capacité à produire en masse ces structures complexes à grande vitesse les rapproche considérablement d’une utilisation commerciale.
« Notre groupe travaille sur les brochosomes synthétiques depuis presque une décennie », a indiqué Wong, qui fait également partie du Materials Research Institute et a co-écrit l’étude avec Choi. « Cette avancée marque un pas en avant significatif par rapport aux efforts antérieurs de notre groupe, qui ont d’abord démontré le potentiel des brochosomes à manipuler la lumière. La nouvelle étude ne recrée pas seulement leur architecture complexe, mais montre aussi comment les fabriquer avec une précision et une échelle sans précédent. Jusqu’à présent, les humains ne pouvaient pas reproduire ces structures à des échelles ou une complexité comparables. Leur géométrie entièrement 3D et leurs caractéristiques nanométriques dépassaient ce que même nos outils de fabrication les plus avancés pouvaient créer de manière fiable ».
L’équipe a commencé sa dernière réalisation en examinant de près comment les cicadelles elles-mêmes fabriquent les brochosomes. À l’intérieur des tubes de Malpighi de l’insecte, un type de système de plomberie interne, des condensats en forme de gouttelettes développent des ondulations de surface, où les protéines et les lipides du système s’auto-assemblent pour former les structures de brochosomes.
« La nature est la maîtresse de la nanofabrication », a affirmé Wong. « Les cicadelles construisent les brochosomes non pas en les sculptant, mais par auto-assemblage moléculaire et phénomènes interfaciaux ».
Choi a dirigé l’effort pour développer une version synthétique de cette chaîne d’assemblage biologique. L’équipe a utilisé une puce minuscule avec des canaux microscopiques qui créent des gouttelettes identiques, chacune contenant des polymères spécialement conçus pour soit repousser soit attirer l’eau. Les polymères sont répartis à la fois à la surface et à l’intérieur de la gouttelette, de sorte que lorsque la gouttelette s’évapore, des polymères supplémentaires migrent vers la surface. Pendant ce processus, ces parties s’arrangent d’elles-mêmes à la surface de la gouttelette, créant naturellement les minuscules pores régulièrement espacés qui donnent aux brochosomes leur structure unique.
« La chimie du polymère détermine comment la surface de la gouttelette se courbe », a expliqué Choi. « La courbure contrôle la façon dont l’eau s’infiltre, et l’agencement de ces gouttelettes infiltrées détermine la taille et la forme des pores ».
En ajustant la composition des polymères, la longueur moléculaire et la taille des gouttelettes, les chercheurs ont pu moduler la géométrie des particules finales et recréer des brochosomes similaires à ceux produits par différentes espèces de cicadelles.
Les particules synthétiques présentent également le même comportement optique que les brochosomes naturels. Lorsque l’équipe a recouvert des surfaces avec ses particules, elle a observé une forte réduction de la lumière réfléchie à différentes longueurs d’onde et sous différents angles. Cette performance est difficile à obtenir avec les revêtements antireflet conventionnels, qui fonctionnent généralement uniquement à des angles spécifiques ou dans des bandes de lumière étroites, selon Wong.
« De nombreuses technologies reposent sur un contrôle précis de la lumière », a souligné Wong. « Les caméras et capteurs qui luttent contre les reflets, les panneaux solaires qui perdent en efficacité lorsque la lumière est renvoyée, ou les optiques de défense qui ont besoin d’un antireflet fiable pour se rendre ‘invisibles’, tous pourraient bénéficier de matériaux qui réduisent si fortement les réflexions ».
Au-delà de l’optique, la structure creuse des particules et leur grande surface interne suggèrent des opportunités potentielles dans la recherche énergétique et chimique, ont déclaré les chercheurs. Leurs coques poreuses pourraient inspirer de futures explorations dans des domaines tels que la catalyse ou les matériaux de stockage d’énergie. Dans d’autres domaines, la forme unique des particules et leur comportement de diffusion de la lumière pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour les pigments, les revêtements de camouflage, ou les technologies de détection chimique et biologique.
« Les brochosomes synthétiques combinent plusieurs caractéristiques inhabituelles ; ils sont creux, remplis de minuscules pores, ont une grande surface spécifique et fonctionnent de la même manière quel que soit l’angle de vue », a déclaré Wong. « Leur potentiel va bien au-delà de la réduction des reflets ».
Des applications médicales pourraient également être possibles, a noté Wong, en expliquant que la structure creuse et poreuse des particules pourrait inspirer de futures recherches sur l’administration de médicaments ou les matériaux liés à l’imagerie.
« Dans l’ensemble, les brochosomes synthétiques ne sont pas seulement des matériaux optiques », a affirmé Choi. « C’est une nouvelle plateforme polyvalente qui pourrait impacter des domaines allant de l’énergie propre et des pigments aux revêtements protecteurs et aux technologies médicales ».
Ce qui distingue vraiment la nouvelle plateforme, c’est sa vitesse, a déclaré Choi. Les méthodes traditionnelles de nanofabrication peuvent ne produire que quelques particules par seconde, nécessitant souvent de multiples étapes complexes. Ce système, en revanche, exploite l’auto-assemblage pour générer plus de 100 000 particules entièrement formées chaque seconde.
« Parce que la structure s’assemble essentiellement d’elle-même de bas en haut, nous obtenons à la fois une précision nanométrique et une vitesse de production extrêmement élevée, imitant la façon dont la biologie construit les architectures à l’échelle nanométrique », a expliqué Wong. « Ce niveau de détail et de débit n’est tout simplement pas réalisable avec les approches conventionnelles ».
Ensuite, les chercheurs prévoient de développer davantage la plateforme microfluidique, en augmentant le taux de production de 10 à 1 000 fois, et d’étudier les applications optiques en tant que pigments ainsi que les applications militaires potentielles.
Une demande de brevet pour la technologie a été déposée. Le Bureau de la recherche navale des États-Unis a soutenu cette recherche.
Article : « Morphogenesis and High-Throughput Nanomanufacturing of Synthetic Brochosomes Inspired by a Leafhopper » – Journal : ACS Nano – DOI : Lien vers l’étude
Source : PSU
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