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Cristal photonique de la nature
Les chercheurs ont découvert une espèce de scarabée brésilien qui a le trait inhabituel de refléter le vert irisé sous presque tous les angles. En examinant la structure des écailles du scarabée, des scientifiques de l'Université de l'Utah ont trouvé une structure de cristal photonique idéale pour la lumière visible, un type de matériau que les scientifiques optiques recherchent depuis des années.
Diamants bruts : Le scarabée brésilien d'un pouce de long Lamprocyphus augustus (en haut) a des écailles qui contiennent des cristaux photoniques, donnant à l'insecte son chatoiement vert unique. Dans l'image du bas, les écailles individuelles du coléoptère reflètent un vert irisé, en raison de structures microscopiques en forme de diamant.
Les structures périodiques tridimensionnelles appelées cristaux photoniques sont des matériaux potentiellement précieux pour contrôler les photons ; les scientifiques pourraient utiliser des cristaux photoniques fonctionnant à des longueurs d'onde visibles pour développer des cellules solaires, des télécommunications, des capteurs et même des puces informatiques optiques plus efficaces. Une structure à base de diamant, en particulier, est considérée comme le cristal photonique tridimensionnel le plus efficace pour la lumière visible, car il peut refléter une large bande de couleurs et a une réflectivité élevée. Moins de lumière s'échappant signifie que les chercheurs peuvent mieux contrôler et manipuler les photons.
Les cristaux photoniques qui contrôlent la lumière visible ont été difficiles pour les scientifiques à fabriquer à partir de matériaux appropriés, en raison de la faible périodicité de la structure pour manipuler des longueurs d'onde aussi courtes. Des cristaux photoniques unidimensionnels et bidimensionnels pour la lumière visible ont été créés, ainsi qu'une structure en diamant tridimensionnelle pour les longueurs d'onde plus longues de l'infrarouge. Une structure en diamant qui peut refléter la lumière visible sous tous les angles pour toutes les polarisations n'a pas encore été réalisée. Mais l'étude des écailles de ce coléoptère peut fournir de nouvelles informations sur la façon de construire un tel cristal photonique tridimensionnel pour la lumière visible.
Michel Bartl , professeur à l'Université de l'Utah, l'étudiant diplômé Jeremy Galusha et leurs collègues ont utilisé une technique de tranchage très fine pour découvrir et modéliser les écailles du Lamprocyphus augustus . À l'intérieur de chaque échelle, qui mesure environ 100 micromètres de diamètre et 15 à 20 micromètres d'épaisseur, se trouve une structure photonique tridimensionnelle. La structure ressemble à la façon dont les atomes de carbone s'arrangent dans un diamant, et elle se compose d'un réseau cristallin avec une structure unitaire périodique répétitive d'environ 300 nanomètres, explique Bartl. À l'intérieur d'une échelle, le réseau de diamants est positionné à différentes orientations, donnant au scarabée son éclat vert sous presque tous les angles.
Les cristaux photoniques structurés en diamant sont parmi les plus difficiles à fabriquer, selon le professeur de Georgia Tech Zhong Lin Wang . En utilisant la biologie comme modèle, cet article montre la possibilité de fabriquer des cristaux photoniques de diamant artificiels avec des performances optiques bien conçues, dit-il.
Les écailles du scarabée elles-mêmes ne peuvent être utilisées pour aucune application pratique, car le matériau de chitine est trop fragile et non conducteur. Le groupe est en train de mouler les écailles de scarabée à partir d'un semi-conducteur. Nous avançons bien, dit Bartl. En plus d'utiliser la structure du scarabée comme moule, lui et ses collègues étudient également comment le scarabée fabrique la structure, dans l'espoir d'imiter le processus de création de structures photoniques artificielles en diamant.
Les applications utilisant des cristaux photoniques ont été plus ou moins limitées au spectre proche infrarouge, explique Ayman Abouraddy, chercheur au MIT. Nous savons déjà [que la structure en diamant] sera utile ; nous ne savons tout simplement pas comment le faire efficacement. Le fait qu'un coléoptère - avec une approche de synthèse chimique simple et sale - soit capable de créer une structure assez propre comme celle-ci est surprenant.