Une illustration d'une spatule de gecko, une structure à l'échelle nanométrique sur les orteils de l'animal qui contribue à sa prise. Les feuilles vertes représentent les protéines de kératine. Les gribouillis gris représentent les molécules lipidiques. Basé sur les données du microscope synchrotron du NIST. Crédit :Marianne Meijer/Kerncraft Art &Graphics
Les geckos sont réputés pour leurs pattes adhérentes qui leur permettent de gravir facilement les surfaces verticales. Ils obtiennent cette superpuissance apparente de millions de structures microscopiques ressemblant à des cheveux sur leurs orteils.
Aujourd'hui, les scientifiques ont zoomé pour examiner de plus près ces structures, appelées soies, et ont découvert qu'elles sont recouvertes d'un film ultra-mince de molécules lipidiques hydrofuges d'un nanomètre ou d'un milliardième de mètre d'épaisseur.
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont analysé la surface des soies à l'aide de rayons X à haute énergie émis par un type d'accélérateur de particules appelé synchrotron. Le microscope synchrotron a montré que les molécules lipidiques tapissent la surface des soies en réseaux denses et ordonnés.
Les lipides peuvent jouer un rôle dans ce processus car ils sont hydrophobes, c'est-à-dire qu'ils repoussent l'eau. "Les lipides pourraient fonctionner pour repousser toute eau sous les spatules, leur permettant d'établir un contact plus étroit avec la surface", a déclaré le physicien et co-auteur Tobias Weidner de l'Université d'Aarhus au Danemark. "Cela aiderait les geckos à maintenir leur adhérence sur les surfaces humides."
Les soies et les spatules sont constituées d'un type de protéine de kératine similaire à celle que l'on trouve dans les cheveux et les ongles humains. Ils sont extrêmement délicats. Les chercheurs ont montré que les fibres de kératine sont alignées dans la direction des soies, ce qui pourrait les aider à résister à l'abrasion.
À gauche :un pied de gecko. Au milieu :une micrographie électronique à balayage de structures ressemblant à des cheveux sur les orteils de gecko, appelées soies, avec "sp" indiquant l'emplacement de structures plus petites appelées spatules. À droite :une vue rapprochée d'une spatule individuelle. Crédit :Photo de gauche :Bjørn Christian Tørrissen, CC BY-SA 3.0; images au microscope :Stanislas Gorb/Université de Kiel.
"La chose la plus excitante pour moi à propos de ce système biologique est que tout est parfaitement optimisé à toutes les échelles, du macro au micro et au moléculaire", a déclaré le biologiste et co-auteur Stanislav Gorb de l'Université de Kiel en Allemagne. "Cela peut aider les ingénieurs biomimétiques à savoir quoi faire ensuite."
"Vous pouvez imaginer des bottes gecko qui ne glissent pas sur des surfaces mouillées, ou des gants gecko pour tenir des outils mouillés", a déclaré Dan Fischer, physicien et co-auteur du NIST. "Ou un véhicule qui peut courir sur les murs, ou un robot qui peut courir le long des lignes électriques et les inspecter."
Le microscope synchrotron NIST que les chercheurs ont utilisé pour analyser les soies est unique dans sa capacité à identifier des molécules à la surface d'un objet tridimensionnel, à mesurer leur orientation et à cartographier leur position. Il est situé au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'énergie, où la source de lumière synchrotron nationale II, un accélérateur de particules d'un demi-mile de long, fournit une source de rayons X à haute énergie pour l'éclairage.
Ce microscope est généralement utilisé pour comprendre la physique des matériaux industriels avancés, notamment les batteries, les semi-conducteurs, les panneaux solaires et les dispositifs médicaux.
"But it is fascinating to figure out how gecko feet work," Fischer said, "and we can learn a lot from nature when it comes to improving our own technology."
NIST physicists Dan Fischer (left) and Cherno Jaye at the NIST synchrotron microscope located at U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. Credit:C. Weiland/NIST.
An international team of researchers published the findings in Biology Letters . An earlier companion paper, published in Physical Chemistry Letters , used the same technique to show how the individual protein strands that make up the setae are aligned.
"A lot was already known about how setae work mechanically," said NIST physicist and co-author Cherno Jaye. "Now we have a better understanding of how they work in terms of their molecular structure."
Geckos have inspired many products, including adhesive tapes with setae-like microstructures. Understanding the molecular features of setae might lead inventors who find inspiration in nature—a concept called biomimicry—to come up with even better designs.
Setae provide sticking power because they are flexible and assume the microscopic contours of whatever surface the gecko is climbing. Even smaller structures at the ends of the setae, called spatulae, make such close contact with the climbing surface that electrons in both materials interact, creating a type of attraction called van der Waals forces. To release its foot, which might otherwise stay stuck, the gecko changes the angle of the setae, interrupting those forces and allowing the animal to take its next step. Gecko study offers evidence that small morphological changes can lead to large changes in function
