Des pelures d'oignon pour manipuler les ultrasons

Publié par Adrien le 08/04/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
Des scientifiques ont démontré que les épidermes d'oignons permettent de manipuler des ondes acoustiques à haute fréquence. Ces propriétés, observées pour la première fois dans des matériaux d'origine végétale, pourraient déboucher sur des dispositifs électroniques bon marché et respectueux de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...).


a. Vue des couches épidermiques qui ont été sélectionnées à différentes profondeurs d'un bulbe (Un bulbe est une pousse souterraine verticale disposant de feuilles modifiées utilisées...) d'oignon (L’oignon (l'orthographe ognon est préconisée par les rectifications...), allant de la plus externe (la plus ancienne) à la plus profonde (la plus jeune).
b. Surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'épiderme de l'oignon sur laquelle la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes...) de surface est illustrée.
c. Courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) montrant l'apparition d'une bande de fréquences interdites (pointillés rouges).

La propagation des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) acoustiques dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) provient des vibrations collectives des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...). Celles-ci sont quantifiées par des modes ayant des fréquences bien définies et appelés phonons, les phonons étant en quelque sorte au son ce que les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) sont à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). De la même façon qu'il existe des métamatériaux photoniques pour manipuler les ondes lumineuses, il existe des métamatériaux phononiques, c'est-à-dire des matériaux composites structurés en vue de modifier et de contrôler la propagation des ondes acoustiques, notamment en filtrant certaines fréquences.

Les métamatériaux phononiques mis au point (Graphie) durant la dernière décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix »...) sont des matériaux artificiels inorganiques. Ils présentent des propriétés a priori surprenantes, comme un indice de réfraction (L'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de...) négatif ou une masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) effective négative, et sont d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des...) et déjà intégrés dans le traitement des ondes ultrasonores, par exemple pour des biocapteurs ou dans des filtres pour écrans tactiles. Mais ces matériaux artificiels ne se recyclent pas et utilisent de nombreux composants stratégiques comme les terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le...). Concernant les matériaux composites naturels, contrairement à leurs propriétés photoniques, leurs propriétés phononiques sont encore largement inexplorées.

Sous l'impulsion de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Lumière Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) à Lyon (ILM, CNRS/Univ. Lyon 1), une équipe de chercheurs et chercheuses a démontré que des composites biologiques sous la forme de réseaux de cellules végétales desséchées se comportent comme des métamatériaux phononiques, en interdisant la propagation d'ondes acoustiques dans certaines gammes de fréquences. Dans ces expériences pionnières, le composite biologique était constitué d'un épiderme de cellules d'oignon de quelques microns d'épaisseur seulement. Ce type de cellules a été choisi pour ses parois rigides et organisées en nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir...) d'abeille (Abeille est un nom vernaculaire ambigu désignant en français certains insectes...).

L'analyse de la propagation des ondes acoustiques de surface à des fréquences de quelques centaines de MHz a révélé l'apparition naturelle de bandes de fréquences interdites (figure), comparables à celles obtenues dans les matériaux artificiels. De plus, les caractéristiques de ces bandes sont contrôlables simplement en sélectionnant des plantes avec différents phénotypes. Ces travaux sont publiés dans la revueApplied Materials Today.

Ces résultats définissent une nouvelle classe de matériaux pour la manipulation d'ondes acoustiques haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...), d'intérêt pour les appareils de détection, d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) et de télécommunication. La capacité des composites biologiques à se développer rapidement, à peu de frais et en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) à partir de ressources renouvelables est un atout considérable et de plus, contrairement à leurs homologues inorganiques, les matériaux biologiques sont souples, adaptables et intrinsèquement biocompatibles.

Référence:
Growing Phenotype-controlled Phononic Materials from Plant Cells Scafolds.
M. A. Ghanem, L. Khoryati, R. Behrou, A. Khanolkar, S. Raetz, F. Allein, N. Boechler et T. Dehoux, Applied Materials Today, mars 2021.
DOI: 10.1016/j.apmt.2020.100934
Disponible sur la base d'archives ouvertes ArXiv
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