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Quand Madame Butterfly rencontre le roi Soleil…

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Quand Madame Butterfly rencontre le roi Soleil…

Les propriétés optiques des ailes de papillons

La lumière est une composante essentielle de la vie et de la survie animale et végétale, mais qui peut s’avérer dangereuse voire mortelle dans certaines situations. Dans cette course à la maîtrise de la lumière, les insectes, en particulier les papillons et les coléoptères, sont les champions en la matière. Leurs ailes et leur corps sont constitués de structures qui, outre le chatoiement spectaculaire de couleurs qu’elles offrent à la vue, leur servent à gérer les échanges électromagnétiques entre l’organisme et l’extérieur. Ces petites merveilles « technologiques » inspirent Serge Berthier, professeur à l’institut des nanosciences de Paris (CNRS/UPMC), tant sur le plan de l’optique physique que sur le plan comportemental de ces espèces.

 

Morpho Marcus. D. R.

 

L’insecte, ce capteur de lumière
Contrairement aux mammifères et les oiseaux,les insectes sont des organismes poikylothermiques, c'est-à-dire dépourvus de source interne et stabilisée de chaleur. Ils captent une partie de leur énergie du soleil, tandis que l’autre est fournie par l’activité musculaire. Le papillon est appelé à tort « animal à sang froid ». Lorsqu’il vole,sa température thoracique est comprise entre 36 et 40°C. Lorsqu’il est au repos, il plonge dans une sorte d’hivernation et reprend son activité a posteriori. En cas de surchauffe, l’insecte peut mourir d’hyperthermie. Les insectes noirs ou sombres et les insectes blancs ont développé des stratégies très différentes.

 

Les papillons blancs ou « trackers-concentrateurs »

Les ailes des papillons sont parcourues de nervures qui rigidifient l’aile et aident à la circulation lymphatique, et donc de façon indirecte à la gestion thermique de l’organisme. Les papillons blancs ou très clairs (e. g. la piéride du chou, Pierisbrasicae) dont les ailes réfléchissent plus de 70% de la lumière incidente dans le visible, utilisent le fort pouvoir réflecteur de leurs ailes pour renvoyer la lumière sur le thorax qui abrite les muscles abducteurs et inducteurs du vol, et dont la cuticule est noire et fortement absorbante. Ils gèrent ainsi l’absorption en jouant sur leur orientation par rapport au soleil et sur l’ouverture de leurs ailes.

 

Les papillons sombres ou « absorbeurs »

De nombreux papillons présentent des ailes ou des parties d’ailes d’un noir extrêmement intense,résultat de l’absorption par des mélanines et du piégeage de la lumière dans des structures spécifiques. Chez Morpho helenor par exemple, les zones noires à la base des ailes et au plus près du thorax, absorbent 99% de la lumière au maximum du spectre solaire. En dessous de 40°C, l’insecte se réchauffe. Au-delà, l’aile devient émissive et le papillon refroidit.

 

L’insecte, cet émetteur de lumière

De nombreux insectes émettent de la lumière soit par bioluminescence (moyen de communication et/ou de chauffage), soit par fluorescence (protection contre les UV ou moyen de communication). La « star » des insectes bioluminescents est la luciole et sa larve, le ver luisant. La réaction de bioluminescence se produit dans les deux avants-derniers segments abdominaux.Cet organe sert à la communication intra spécifique (entre mâles et femelles) et au chauffage. La structure de ces anneaux permet d’extraire plus de lumière que ne le ferait un simple dioptre.

 

Coléoptère Cyphus Hancocki. D. R.

 

À l’inverse des mélanines qui convertissent les UV en chaleur, les fluorophores les convertissent en lumière de moindre énergie située dans le visible.C’est le cas d’un grand nombre d’insectes, en particulier les lépidoptères et les coléoptères. Troides magellanus est un beau papillon indonésien caractérisé par des ailes postérieures jaunes et qui réfléchissent un flash vert intense à incidence très élevée. La forte iridescence des ailes postérieures tient à la structure très particulière des écailles de recouvrement. Les stries composées d’un empilement de lamelles très inclinées vers l’arrière de l’écaille, forment une multicouche qui réfléchit fortement la lumière en créant des interférences dans le vert (voire le bleu-vert) mais qui guident la lumière émise par fluorescence dans la direction perpendiculaire.

 

Hoplia Cerulea. D. R.

 

La membrane supérieure des écailles de l’aile du papillon africain Papilio nireus est quant à elle, composée de cylindres creux en configuration hexagonale, enserrés dans un réseau de stries parallèles. Des molécules fluorescentes sont présentes dans cette structure. Leur pic d’émission se situe dans le bleu-vert (aux environs de 505 nm), et le pic d’excitation dans le violet (à 420 nm). Cette organisation complexe permet d’optimiser trois fonctions vitales pour l’insecte : l’absorption des rayonnements violets, ultraviolets, rouges et infrarouges qui participent à la thermorégulation de l’insecte ; la diffraction des rayonnements bleu et vert ; et l’émission de fluorescence.

 

Des cristaux bio-inspirés pour l'optique

Les physiciens s’intéressent de près à toutes ces structures naturelles, tant pour étudier la propagation de la lumière que pour élaborer de nouveaux matériaux. Les insectes ont par exemple développé des structures antireflets, constituées de picots qui permettent une adaptation d’indice continue et confèrent à la surface des propriétés super hydrophobes et autonettoyantes en zones tempérées et humides.De telles structures reproduites en laboratoire puis à plus grande échelle, pourraient entrer dans la composition de panneaux photovoltaïques, de diodes électroluminescentes ou de détecteurs,et servir à en améliorer les rendements, tout en assurant l’auto-nettoyage ou leur stabilisation en température.

Pour en savoir plus :

Institut des nanosciences de Paris (CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

 



20/03/15