Les minuscules poils des fourmis argentées du Sahara possèdent des caractéristiques adaptatives cruciales qui permettent aux fourmis de réguler leur température corporelle et de survivre aux conditions de chaleur torride de leur habitat désertique. Selon un nouvel article de recherche publié dans la revue Science , la forme triangulaire unique et la structure interne des poils jouent un rôle clé dans le maintien de la température interne moyenne de la fourmi en dessous du maximum thermique critique de 53,6 degrés Celsius (128,48 degrés Fahrenheit) la plupart du temps malgré les températures sahariennes de midi qui peuvent atteindre jusqu'à 70° C (158°F).

Le papier, publié par des chercheurs et des collaborateurs de Columbia Engineering, y compris des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE), décrit comment la structure nanométrique des poils aide à augmenter la réflectivité du corps de la fourmi dans les longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge, permettant aux insectes de dévier le rayonnement solaire que leur corps absorberait autrement. Les poils améliorent également l'émissivité dans le spectre moyen infrarouge, permettant à la chaleur de se dissiper efficacement du corps chaud des fourmis vers le froid, ciel clair. Columbia Engineering en a plus sur les découvertes des chercheurs.

Pour étudier comment les poils permettent aux créatures de contrôler les ondes électromagnétiques de cette manière, l'équipe de recherche de Columbia Engineering dirigée par Nanfang Yu avait besoin de voir à l'intérieur de ces structures à l'échelle nanométrique et de comprendre leurs fonctions. Ils se sont tournés vers les ressources et l'expertise disponibles au Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à proximité de Long Island.

Travailler avec et recevoir une formation de Fernando Camino du CFN, un co-auteur de l'article dans Science, et Matthieu Sfeir, Le groupe de Yu a effectué des études d'imagerie à l'aide du système de microscope électronique à double balayage (MEB)/faisceau d'ions focalisé (FIB) et du spectromètre/microscope à transformée de Fourier du CFN. Pour le système à double faisceau, Camino a travaillé directement avec l'auteur principal de l'article, Norman Nan Shi.

"Ma contribution a été de former Shi à utiliser cet outil et de lui donner la possibilité de jouer avec les paramètres jusqu'à ce que nous puissions réussir à caractériser la structure de ce cheveu, " dit Camino.

Dans une expérience typique impliquant du matériel biologique tel que des cheveux à l'échelle nanométrique, il suffirait généralement d'utiliser un microscope électronique pour créer une image de la surface de l'échantillon. Cette recherche, cependant, a demandé au groupe de Yu de regarder à l'intérieur des poils de fourmis et de produire une coupe transversale de l'intérieur de la structure. Le faisceau d'électrons relativement faible d'un microscope électronique standard ne pourrait pas pénétrer la surface de l'échantillon.

Le système à double faisceau du CFN résout le problème en combinant l'imagerie d'un microscope électronique avec un faisceau d'ions gallium beaucoup plus puissant. Avec 31 protons et 38 neutrons, chaque ion gallium est d'environ 125, 000 fois plus massive qu'un électron, et suffisamment massif pour créer des bosses dans la structure à l'échelle nanométrique - comme jeter une pierre contre un mur. Les chercheurs ont utilisé ces puissants faisceaux pour percer des coupes précises dans les cheveux, révélant les informations cruciales cachées sous la surface. En effet, cette application particulière, dans lequel le système a été utilisé pour étudier un problème biologique, était nouveau pour l'équipe du CFN.

« Classiquement, cet outil permet de réaliser des coupes de circuits microélectroniques, " a déclaré Camino. "Le faisceau d'ions focalisé est comme un outil de gravure. Vous pouvez le voir comme un outil de fraisage dans un atelier d'usinage, mais à l'échelle nanométrique. Il peut enlever du matériel à des endroits spécifiques car vous pouvez voir ces endroits avec le SEM. Donc localement tu enlèves de la matière et tu regardes les sous-couches, parce que les coupes vous donnent accès à la coupe transversale de tout ce que vous voulez regarder."

La recherche sur les poils de fourmis a mis l'équipe du CFN au défi de trouver de nouvelles solutions pour étudier les structures internes sans endommager les échantillons biologiques les plus délicats.

"Ces cheveux sont très doux par rapport à, dire, semi-conducteurs ou matériaux cristallins. Et il y a beaucoup de chaleur locale qui peut endommager les échantillons biologiques. Les paramètres doivent donc être soigneusement réglés pour ne pas lui faire trop de dégâts, ", a-t-il déclaré. "Nous avons dû adapter notre technique pour trouver les bonnes conditions."

Un autre défi résidait dans la gestion de ce que l'on appelle l'effet de charge. Lorsque le système à double faisceau est entraîné sur un matériau non conducteur, les électrons peuvent s'accumuler au point où les faisceaux frappent l'échantillon, déformer l'image obtenue. L'équipe du CFN a pu résoudre ce problème en plaçant de fines couches d'or sur le matériel biologique, rendre l'échantillon juste assez conducteur pour éviter l'effet de charge.

Révéler la réflectivité

Alors que l'équipe de Camino se concentrait sur l'aide au groupe de Yu pour étudier la structure des poils de fourmis, Les travaux de Matthew Sfeir avec la spectroscopie optique à transformée de Fourier à haute luminosité ont permis de révéler comment la réflectivité des poils aidait les fourmis argentées sahariennes à réguler la température. Le spectromètre de Sfeir a révélé précisément à quel point ces structures biologiques réfléchissent la lumière sur plusieurs longueurs d'onde, y compris la lumière visible et proche infrarouge.

"C'est une mesure multiplexée, " Sfeir a dit, expliquant le spectromètre de son équipe. "Au lieu de régler sur cette longueur d'onde et cette longueur d'onde, cette longueur d'onde, vous les faites tous d'un seul coup pour obtenir toutes les informations spectrales d'un seul coup. Il vous donne des mesures très rapides et une très bonne résolution spectrale. Ensuite, nous l'optimisons pour de très petits échantillons. C'est une capacité assez unique de CFN."

Le travail de spectroscopie de Sfeir s'appuie sur les connaissances acquises grâce à son travail dans une autre installation clé de Brookhaven :la source de lumière synchrotron nationale d'origine, où il a fait une grande partie de son travail postdoctoral. Son expérience a été particulièrement utile pour analyser la réflectivité des structures biologiques à travers de nombreuses longueurs d'onde différentes du spectre électromagnétique.

"Cette technique a été développée à partir de mon expérience de travail avec les lignes de faisceaux infrarouges du synchrotron, " a déclaré Sfeir. "Les lignes de lumière synchrotron sont optimisées pour exactement ce genre de chose. Je pensais, 'Hey, ne serait-il pas formidable si nous pouvions développer une mesure similaire pour le type d'appareils solaires que nous fabriquons au CFN ? » Nous avons donc construit une version de paillasse à utiliser ici."

C'est cette capacité à tirer des connaissances d'un domaine et à les appliquer ailleurs, souvent de manière inattendue, qui permet aux utilisateurs extérieurs de venir à Brookhaven avec de nouvelles questions de recherche, travailler avec les experts du CFN pour comprendre comment aborder ces questions, et repartez avec les réponses recherchées.

« Au CFN, notre objectif est d'amener les utilisateurs au point où ils peuvent faire leurs propres recherches, devenir indépendant, " a déclaré Camino. " C'est notre philosophie :nous apportons les outils et les connaissances dont les utilisateurs ont besoin, afin qu'ils puissent continuer à travailler de manière indépendante.