Un revêtement antireflet s'inspire des yeux de mouches

Publié par Redbran le 22/09/2020 à 13:00
Source: Université de Genève
Une équipe de l'UNIGE a reproduit un revêtement nanométrique qui couvre les yeux des mouches de vinaigre et qui offre des propriétés antireflets et antiadhésives.

Les yeux de nombreux insectes, dont la mouche de vinaigre, sont recouverts d'une couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce tout en...) et transparente, constituée de minuscules protubérances aux propriétés antireflets et antiadhésives. Un article à lire dans la revue Nature révèle les secrets de fabrication de ce nano-revêtement. Les auteurs, issus des Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom...) (UNIGE) et de Lausanne (UNIL) ainsi que de l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ), montrent qu'il n'est formé que de deux ingrédients: une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des...) appelée "rétinine" (Retinin, en anglais) et de la cire (Chimiquement, la cire est un ester de l'éthylène glycol et de deux acides gras ou un monoester d'acide gras et d'alcool à longues chaines. Le terme de cire a longtemps fait référence...) cornéenne. Ces deux composés génèrent automatiquement le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) régulier de protubérances en jouant les rôles respectifs d'activateur et d'inhibiteur d'un processus de morphogenèse qui a été modélisé dans les années cinquante par le mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute personne faisant des mathématiques la base de son activité principale. Ce terme recouvre une large palette de...) Alan Turing (Alan Mathison Turing (23 juin 1912 - 7 juin 1954) est un mathématicien britannique, auteur de l'article fondateur de la science informatique qui...).


Agrandissements successifs d'un oeil de mouche. Celui-ci est formé de nombreuses facettes, elles-mêmes recouvertes d'une fine couche composée de protubérances de quelques dizaines de nanomètres de haut. 1 micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (μm) = 1000 nanomètres (nm).
© UNIGE/Vladimir Katanaev

L'équipe pluridisciplinaire a même réussi à reproduire artificiellement le phénomène en mélangeant de la rétinine et de la cire sur différents types de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...). Très bon marché et basé sur des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) biodégradables, le procédé a permis d'obtenir des nano-revêtements ayant une morphologie semblable à celle des insectes et présentant des fonctionnalités antiadhésives ou antireflets qui pourraient avoir de nombreuses applications dans des domaines aussi divers que les lentilles de contact, les implants médicaux ou encore les textiles.

"Le nano-revêtement qui couvre la surface des yeux de certains insectes a été découvert à la fin des années 1960 sur des papillons de nuit, explique Vladimir Katanaev, professeur au Département de physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science)...) cellulaire et métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant....) à la Faculté de médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant à restaurer la...) de l'UNIGE et investigateur principal de l'étude. Il est formé d'un réseau dense de petites protubérances d'environ 200 nanomètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...) et de quelques dizaines de nanomètres de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Il a pour effet de réduire la réflexion de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...)."

Typiquement, une cornée d'insecte (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur environnement (association loi de 1901),...) sans revêtement réfléchit environ 4% de la lumière incidente. Chez celle qui en est recouverte, cette proportion tombe à zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...). Une amélioration de 4% peut sembler modeste, mais cela constitue un avantage suffisant, en particulier dans des conditions d'obscurité, pour avoir été sélectionné lors de l'évolution. Ce revêtement offre aussi une protection physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) contre les plus petites poussières en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un objet En...) dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) grâce à ses propriétés antiadhésives.

Vladimir Katanaev s'est lancé dans ce domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) il y a dix ans. En 2011, son équipe et lui sont les premiers à découvrir le nano-revêtement sur les yeux de la mouche de vinaigre (Le vinaigre est un liquide acide (pH généralement compris entre 2 et 3), obtenu grâce à l'oxydation de l'éthanol dans le vin, le cidre, la bière et autres...) (Drosophila melanogaster). Cet insecte (Les insectes (Insecta) font partie du sous-embranchement des hexapodes, elle-même incluse dans l'embranchement des arthropodes mais dans un...) est un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances...) beaucoup plus adapté à la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) que les papillons de nuit, en particulier parce que son génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le...) a été entièrement décrypté.

Alan Turing à la manoeuvre

Sur la base de leurs premiers résultats, Vladimir Katanaev et ses collègues proposent en 2015 que ce nano-revêtement soit le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du...) d'un mécanisme de morphogenèse que le mathématicien britannique Alan Turing a modélisé dans les années 1950. Selon ce modèle, deux molécules s'organisent automatiquement pour produire des motifs en bandes ou taches régulières. La première agit comme activateur, démarrant un processus d'émergence d'un motif particulier et s'auto-amplifiant. Mais elle stimule en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) aussi la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...) qui agit comme un inhibiteur et se diffuse plus rapidement. Ce modèle a permis d'expliquer des phénomènes naturels à des échelles macroscopique, comme les taches d'un léopard ou les rayures d'un zèbre (Zèbre un nom vernaculaire ambigu en français, pouvant désigner plusieurs espèces différentes de la famille des...), et microscopique mais encore jamais à l'échelle nanoscopique.

Le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent...) genevois a aujourd'hui rassemblé plus de preuves à l'appui de cette hypothèse. Grâce à des analyses biochimiques et au recours au génie génétique (Le génie génétique (ou ingénierie génétique) est un ensemble de techniques, faisant partie de la biologie moléculaire et ayant pour objet...), ses collègues et lui ont notamment réussi à identifier les deux composants entrant en jeu dans le modèle de réaction-diffusion développé par Turing. Il s'agit d'une protéine appelée rétinine et de la cire produite par plusieurs enzymes spécialisées, dont deux ont été identifiées. La rétinine joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement...) le rôle d'activateur. D'une forme initialement non déterminée, elle adopte une structure globulaire au contact de la cire et commence à générer le motif. La cire, elle, joue le rôle d'inhibiteur. Le combat d'influence entre les deux fait émerger le nano-revêtement.

Nano-revêtement artificiel

"Nous avons ensuite réussi à produire de la rétinine à très faible coût à l'aide de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi...) génétiquement modifiées à cette fin, précise Vladimir Katanaev. Nous l'avons purifiée puis mélangée à différentes cires commerciales sur des surfaces de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est...) ou de plastique. Nous avons ainsi pu reproduire le nano-revêtement très facilement. Son apparence est semblable à celle des insectes et il présente des propriétés antireflets et antiadhésives. Nous pensons que nous pouvons déposer un tel nano-revêtement sur presque n'importe quel type de surface: bois, papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de...), métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...), plastique..."

Des premiers tests ont montré que le revêtement résiste à 20 heures (L'heure est une unité de mesure  :) de lavage à l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (le détergent (Un détergent (ou agent de surface, détersif, surfactant) est un composé chimique, généralement issu du pétrole, doté de propriétés tensioactives, ce qui le rend capable d'enlever les salissures....) ou le grattage l'endommagent facilement, bien que des améliorations technologiques pourraient le rendre plus robuste). Les propriétés antireflets ont d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en...) et déjà éveillé un certain intérêt auprès de fabricants de lentilles de contact. Les propriétés antiadhésives, elles, pourraient séduire les producteurs d'implants médicaux. Un tel revêtement permettrait en effet de contrôler où les cellules humaines viendraient s'accrocher ou non. L'industrie dispose déjà de techniques pour obtenir un tel résultat. Mais elles font appel à des méthodes dures, comme le laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) ou des acides. La solution de l'équipe genevoise a l'avantage d'être peu coûteuse, douce et parfaitement biodégradable.

Publication:
Cette recherche est publiée dans Nature - DOI: 10.1038/s41586-020-2707-9
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