Une équipe multidisciplinaire de chercheurs de Skoltech a découvert les fréquences de résonance des frustules de diatomées. Ces coquilles de dioxyde de silicium à structure complexe de microalgues unicellulaires constituent un modèle prometteur pour les dispositifs électroniques et optiques inspirés de la nature, tels que de minuscules détecteurs à ultrasons pour l'imagerie médicale avancée et des composants pour le traitement ultra-rapide des signaux dans les micropuces du futur.

Cependant, il faudra une meilleure compréhension des propriétés des frustules de diatomées pour que ces applications passionnantes se produisent, et l'étude récente dans Applied Physics Letters est une étape importante dans cette direction.

Représentant environ un cinquième de l'approvisionnement en oxygène de la Terre et un quart de la biomasse de la planète, les algues diatomées sont un composant principal du plancton et une forme de vie omniprésente dans les océans, les voies navigables et les sols du monde.

Le succès évolutif des diatomées, avec leurs coquilles dures et légères faites de dioxyde de silicium et marquées de motifs de trous complexes, a conduit les scientifiques à étudier leurs propriétés et leur structure et à les exploiter dans une gamme de matériaux et de biens de consommation, allant des abrasifs de polissage des métaux au dentifrice. aux systèmes de purification d’eau et à la litière pour chats. Désormais, des applications plus techniques attendent leur tour.

"Cette étude combine des simulations informatiques avec une expérience", a commenté l'auteur principal de l'article, Julijana Cvjetinovic, chercheuse scientifique à Skoltech. "Les simulations nous ont permis de prédire les fréquences de résonance des diatomées dans la plage de 1 à 8 MHz, et nous avons utilisé un microscope à force atomique pour fournir la toute première validation expérimentale de ces fréquences." Les mesures ont été effectuées par Sergey Luchkin, chercheur scientifique principal de Skoltech.

Connaître les fréquences de résonance de ces structures microscopiques est crucial pour exploiter leur conception, optimisée par nature, dans de minuscules dispositifs combinant des pièces mobiles avec de l'optique (circuits intégrés photoniques, ou PIC) ou avec de l'électronique (systèmes microélectromécaniques, également appelés dispositifs MEMS) :les microphones. dans les appareils portables, les capteurs de pression dans les pneus de voiture, les accéléromètres dans les équipements de réalité virtuelle, les haut-parleurs pour les aides auditives intra-auriculaires, les capteurs au cœur des systèmes de navigation des avions, etc.

"Dans de tels dispositifs, des structures imitant des coquilles de diatomées pourraient être utilisées comme composants principaux et, à cet égard, nos découvertes sont particulièrement pertinentes pour la conception de microphones et d'autres capteurs basés sur les vibrations", a déclaré Cvjetinovic. "Mais en plus de cela, ils pourraient servir d'amortisseurs de vibrations. Vous voyez, dans des appareils fonctionnant à une si petite échelle, même des vibrations relativement légères peuvent nuire aux performances. Et des structures imitant les frustules de diatomées pourraient atténuer cela."

Le co-chercheur principal de l'étude, le professeur Dmitry Gorin de Skoltech, qui dirige le laboratoire de biophotonique de Skoltech, a zoomé sur l'une des applications potentielles des microphones :"Notre laboratoire étudie une technique de diagnostic médical avancée appelée optoacoustique, qui implique des vibrations ultrasonores excitantes dans certains objets. — cellules sanguines, capillaires, vaisseaux, etc. — dans le corps avec une déformation thermique induite par une impulsion laser, puis en localisant leur emplacement via des détecteurs à ultrasons très sensibles. "

"Il s'agit d'une technique d'imagerie précise et sans rayons X qui pourrait bénéficier de détecteurs à ultrasons basés sur PIC et dotés de membranes imitant les coquilles de diatomées."

Auparavant, les chercheurs de Skoltech avaient proposé une sonde endoscopique optoacoustique pour la microchirurgie et le diagnostic médical. Ils ont également utilisé un microscope électronique à balayage dans une expérience exigeante qui a révélé comment les propriétés mécaniques statiques et dynamiques des frustules de diatomées sont liées à leur structure.

Ces connaissances ont éclairé la simulation informatique dans l'article récent publié dans Applied Physics Letters. , ce qui aurait également été impossible sans les travaux théoriques pionniers sur le calcul de la fréquence de résonance des diatomées du professeur Alexander Korsunsky de Skoltech, qui était également le co-chercheur principal de la nouvelle étude.

Les possibilités de poursuivre cette ligne de recherche, selon l'équipe, incluent le développement de structures artificielles inspirées des diatomées et l'étude de leur intégration dans des détecteurs à ultrasons basés sur PIC en tant que membranes hautement sensibles.

Plus d'informations : Julijana Cvjetinovic et al, Sondage des modes propres vibrationnels dans les frustules de diatomées via une étude informatique combinée in silico et une expérimentation en microscopie à force atomique, Lettres de physique appliquée (2023). DOI :10.1063/5.0171503

Informations sur le journal : Lettres de physique appliquée

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo