Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les liens entre lumière et insectes sont complexes. La lumière est essentielle à la vie, mais peut aussi s'avérer dangereuse, voire mortelle. Pour gérer ces échanges électromagnétiques entre le monde extérieur et l'organisme, la nature a développé aux interfaces des arthropodes (ailes et cuticule) des structures adaptées aux différentes contraintes. Cet article traite de l'interaction insecte - « lumière entrante », de la façon dont est optimisée l'absorption, et la surchauffe évitée. Il décrit le profil « capteur d'énergie solaire » de l'insecte. Dans une seconde partie, l’article aborde la lumière sortante, c'est-à-dire l'insecte « LED ». Par fluorescence ou bioluminescence, de nombreux insectes émettent de la lumière et ont beaucoup à nous apprendre sur son extraction ! Des pistes ou des réalisations bio-inspirées sont présentées.
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The relationship between light and insects, like all other living organisms, is complex. Light is essential to life, but can also be dangerous, even deadly. To manage these electromagnetic interactions between the outer world and the body of arthropods in particular, nature has developed structures at the interfaces (wings and cuticle) adapted to different constraints.We deal first with incoming light, i.e. the “solar absorber” insect: how it optimizes the absorption, how it prevents overheating, etc. In a second part, we discuss outgoing light, or the “LED” insect. Many insects emit light by fluorescence or bioluminescence, and have much to teach us about its extraction. Bio-inspired avenues of research and achievements are presented.
Auteur(s)
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Serge BERTHIER : Professeur, Université Paris Diderot (Paris, France), Université de Namur Belgique - Member of the UNESCO-UNISA chair in Nanotechnology, Cap Town, Afrique du Sud - Institut des nanosciences de Paris, UMR 7588, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France
-
Magali THOMÉ : Institut des nanosciences de Paris, UMR 7588, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France
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Eloise VAN HOOIJDONK : Laboratoire de physique des solides, Biophotonic Group, Université de Namur, Namur, Belgique
-
Annick BAY : Laboratoire de physique des solides, Biophotonic Group, Université de Namur, Namur, Belgique
INTRODUCTION
Domaine : Photonique, optique des solides, énergie solaire
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Spectroscopie, CVD, PVD
Domaines d'application : Énergie solaire, LED, verre, cosmétique
Principaux acteurs français : CNRS, universités
Industriels : Saint Gobain, Chanel
Contact : [email protected]
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Approche bio-inspirée : reproduction de structures naturelles3. Insecte émetteur de lumière « LED »
De nombreux insectes émettent de la lumière, soit par bioluminescence, soit par fluorescence. Une fois encore, les raisons en sont multiples. Dans le cas de la bioluminescence, il s'agit clairement d'un moyen de communication inter et/ou intraspécifique, et possiblement aussi d'un moyen de chauffage.
Pour la fluorescence, la fonction principale est la protection contre les UV, avec une application à la communication une fois encore. Ces fonctions sont évidemment vitales pour les organismes et nous allons voir comment des structures en permettent l'optimisation.
3.1 Bioluminescence
Si nous privilégions, ce qui reste à démontrer, l'émission de la lumière à des fins de communication, les insectes et nous-mêmes, avec nos nouvelles sources d'éclairage, sommes confrontés au délicat problème de l'extraction de la lumière du sein d'un corps d'indice de réfraction plus élevé que celui du milieu extérieur.
Le problème est moindre dans le cas des insectes que dans celui des LED dont les constituants – les semi-conducteurs – ont des indices très élevés, mais il est instructif de comprendre comment ceux-ci ont traité et optimisé l'extraction de la lumière.
Les lois de Descartes nous disent que tout rayon issu d'un milieu de haut indice sera totalement réfléchi à l'interface avec un milieu de plus bas indice si son angle d'incidence est supérieur à un angle critique θ c .
Cet angle dépend du rapport des indices et, dans le cas des insectes (chitine, n = 1,56), il est égal à 47o. Il tombe à 17o pour le silicium cristallin d'indice n = 3,48.
La réflexion totale de la lumière à une interface peut être, selon les cas, un avantage ou un inconvénient pour un organisme vivant. Des nanostructures très particulières sont ainsi apparues pour lutter contre le phénomène, ou au contraire l'utiliser.
Lorsqu'un rayon lumineux tombe sur un dioptre, c'est-à-dire une surface plane séparant deux milieux d'indices différents, une partie de ce faisceau est réfléchie et repart dans le milieu d'incidence sous un angle θ R égal à celui d'incidence θ i , alors que la partie restante poursuit son chemin dans le deuxième milieu sous un angle θ r différent de l'angle d'incidence : on dit qu'il est « réfracté »...
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Insecte émetteur de lumière « LED »
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERTHIER (S.) - Iridescence. Les couleurs physiques des insectes. - Springer, France (2008). Trad. « Iridescence. Physical colors of insects », Springer New York (2010).
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(2) - BERTHIER (S.) - Photonique des Morphos. - Springer, France (2010).
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(3) - BERTHIER (S.) - Spectral selectivity of the tropical butterfly Prepona meander : a remarkable example of temperature auto-regulation. - Appl. Phys. A, 80, p. 1397 (2003).
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(4) - SAISON (T.), PEROZ (C.), CHAUVEAU (V.), BERTHIER (S.), SANDERGARD (E.), ARRIBART (H.) - Replication of butterfly wing and natural lotus leaf nanostructures by nanoimprint on silica sol-gel films. - Bioinsp. Biomim., 3, p. 046004 (2008).
-
(5) - BAY (A.), SARRAZIN (M.), VIGNERON (J.-P.) - Search for an optimal light-extracting surface derived from the morphology of a firefly lantern. - Opt. Eng., 52(2) (2013).
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