Les cicadelles, un insecte commun dans les jardins, sécrètent et s'enrobent de minuscules particules mystérieuses qui pourraient fournir à la fois l'inspiration et les instructions pour la technologie de nouvelle génération, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Penn State.

Dans une première, l'équipe a reproduit avec précision la géométrie complexe de ces particules, appelées brochosomes, et a permis de mieux comprendre comment elles absorbent à la fois la lumière visible et ultraviolette.

Cela pourrait permettre le développement de matériaux optiques bio-inspirés avec des applications possibles allant des dispositifs de masquage invisibles aux revêtements permettant de récolter plus efficacement l'énergie solaire, a déclaré Tak-Sing Wong, professeur de génie mécanique et de génie biomédical. Wong a dirigé l'étude, qui a été publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. .

Ces minuscules particules uniques ont une géométrie inhabituelle semblable à celle d’un ballon de football avec des cavités, et leur fonction exacte pour les insectes est un mystère pour les scientifiques depuis les années 1950. En 2017, Wong a dirigé l'équipe de recherche de Penn State qui a été la première à créer une version synthétique de base des brochosomes dans le but de mieux comprendre leur fonction.

"Cette découverte pourrait être très utile pour l'innovation technologique", a déclaré Lin Wang, chercheur postdoctoral en génie mécanique et auteur principal de l'étude. "Grâce à une nouvelle stratégie visant à réguler la réflexion de la lumière sur une surface, nous pourrions peut-être masquer les signatures thermiques des humains ou des machines. Peut-être qu'un jour les gens pourraient développer une cape d'invisibilité thermique basée sur les astuces utilisées par les cicadelles. Nos travaux montrent à quel point la compréhension de la nature peut nous aider à développer des technologies modernes."

Wang a poursuivi en expliquant que même si les scientifiques connaissent les particules de brochosome depuis trois quarts de siècle, les fabriquer en laboratoire a été un défi en raison de la complexité de la géométrie des particules.

"On ne sait pas pourquoi les cicadelles produisent des particules avec des structures aussi complexes", a déclaré Wang. "Nous avons réussi à fabriquer ces brochosomes en utilisant une méthode d'impression 3D de haute technologie en laboratoire. Nous avons découvert que ces particules fabriquées en laboratoire peuvent réduire la lumière. réflexion jusqu'à 94 %. C'est une grande découverte car c'est la première fois que nous voyons la nature faire quelque chose comme ça, où elle contrôle la lumière d'une manière aussi spécifique à l'aide de particules creuses."

Les théories sur les raisons pour lesquelles les cicadelles se recouvrent d'une armure de brochosomes vont de la protection contre les contaminants et l'eau à une cape d'invisibilité semblable à celle d'un super-héros. Cependant, une nouvelle compréhension de leur géométrie laisse entrevoir une forte possibilité que son objectif principal soit de servir de cape pour éviter les prédateurs, selon Tak-Sing Wong, professeur de génie mécanique et de génie biomédical et auteur correspondant de l'étude.

Les chercheurs ont découvert que la taille des trous dans le brochosome qui lui donnent une apparence creuse semblable à celle d’un ballon de football est extrêmement importante. La taille est la même pour toutes les espèces de cicadelles, quelle que soit la taille du corps de l'insecte. Les brochosomes mesurent environ 600 nanomètres de diamètre, soit environ la moitié de la taille d'une seule bactérie, et les pores du brochosome mesurent environ 200 nanomètres.

"Cela nous amène à poser une question", a déclaré Wong. "Pourquoi cette consistance ? Quel est le secret d'avoir des brochosomes d'environ 600 nanomètres avec des pores d'environ 200 nanomètres ? Est-ce que cela sert à quelque chose ?"

Les chercheurs ont découvert que la conception unique des brochosomes remplit un double objectif :absorber la lumière ultraviolette (UV), ce qui réduit la visibilité des prédateurs dotés d'une vision UV, tels que les oiseaux et les reptiles, et diffuser la lumière visible, créant ainsi un bouclier antireflet contre les menaces potentielles. La taille des trous est parfaite pour absorber la lumière à la fréquence ultraviolette.

Cela pourrait potentiellement conduire à une variété d'applications pour les humains utilisant des brochosomes synthétiques, telles que des systèmes de récupération d'énergie solaire plus efficaces, des revêtements qui protègent les produits pharmaceutiques des dommages induits par la lumière, des écrans solaires avancés pour une meilleure protection de la peau contre les dommages causés par le soleil et même des dispositifs de camouflage, ont déclaré les chercheurs. . Pour tester cela, l'équipe a d'abord dû fabriquer des brochosomes synthétiques, un défi majeur en soi.

Dans leur étude de 2017, les chercheurs ont imité certaines caractéristiques des brochosomes, notamment les fossettes et leur répartition, à l'aide de matériaux synthétiques. Cela leur a permis de commencer à comprendre les propriétés optiques. Cependant, ils n'ont pu fabriquer que quelque chose qui ressemblait à des brochosomes, pas une réplique exacte.

"C'est la première fois que nous sommes capables de créer la géométrie exacte du brochosome naturel", a déclaré Wong, expliquant que les chercheurs ont pu créer des répliques synthétiques à l'échelle des structures du brochosome en utilisant une technologie avancée d'impression 3D.

Ils ont imprimé une version à grande échelle d’une taille de 20 000 nanomètres, soit environ un cinquième du diamètre d’un cheveu humain. Les chercheurs ont reproduit avec précision la forme et la morphologie, ainsi que le nombre et l'emplacement des pores à l'aide de l'impression 3D, pour produire de faux brochosomes encore petits, suffisamment grands pour être caractérisés optiquement.

Ils ont utilisé un spectromètre infrarouge à transformée de Micro-Fourier (FTIR) pour examiner comment les brochosomes interagissaient avec la lumière infrarouge de différentes longueurs d'onde, aidant ainsi les chercheurs à comprendre comment les structures manipulent la lumière.

Ensuite, les chercheurs ont déclaré qu'ils prévoyaient d'améliorer la fabrication des brochosomes synthétiques pour permettre une production à une échelle plus proche de la taille des brochosomes naturels. Ils exploreront également des applications supplémentaires pour les brochosomes synthétiques, telles que le cryptage des informations, où des structures de type brochosome pourraient être utilisées dans le cadre d'un système de cryptage dans lequel les données ne sont visibles que sous certaines longueurs d'onde lumineuses.

Wang a noté que leurs travaux sur les brochosomes démontrent la valeur d'une approche de recherche biomimétique, dans laquelle les scientifiques s'inspirent de la nature.

"La nature a été un bon enseignant pour les scientifiques qui ont développé de nouveaux matériaux avancés", a déclaré Wang. "Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur une seule espèce d'insecte, mais il existe de nombreux autres insectes étonnants qui attendent que les scientifiques des matériaux les étudient, et ils pourraient peut-être nous aider à résoudre divers problèmes d'ingénierie. Ce ne sont pas que des insectes.; ce sont des inspirations."

Outre Wong et Wang de Penn State, parmi les autres chercheurs participant à l'étude figurent Sheng Shen, professeur de génie mécanique, et Zhuo Li, doctorant en génie mécanique, tous deux à l'Université Carnegie Mellon, qui ont contribué aux simulations de cette étude. Wang et Li ont contribué à parts égales à ces travaux, pour lesquels les chercheurs ont déposé un brevet provisoire aux États-Unis.

Plus d'informations : Wong, Tak-Sing, Conception géométrique de brochosomes de cicadelles antireflet, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI :10.1073/pnas.2312700121. est ce que je.org/10.1073/pnas.2312700121

Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie