Si vous frôlez les ailes d'un papillon, vous repartirez probablement avec une fine pincée de poudre. Cette poussière de lépidoptères est constituée de minuscules écailles microscopiques, dont des centaines de milliers recouvrent les ailes d'un papillon comme des bardeaux sur un toit ultrafin. La structure et la disposition de ces écailles donnent au papillon sa couleur et son chatoiement, et aident à protéger l'insecte des éléments.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont capturé la chorégraphie complexe des écailles de papillon qui se forment pendant la métamorphose. L'équipe a pour la première fois observé en continu les écailles des ailes grandir et s'assembler alors qu'un papillon en développement se transforme à l'intérieur de sa chrysalide.

Avec une intervention chirurgicale mineure et une approche d'imagerie intelligente, les chercheurs ont pu observer la formation d'écailles d'ailes dans des spécimens de Vanessa Cardui, communément appelé papillon de la belle dame. Ils ont observé que, lorsqu'une aile se forme, les cellules à sa surface s'alignent en rangées ordonnées au fur et à mesure de leur croissance. Ces cellules se différencient rapidement en une alternance d'écailles de « couverture » ​​et de « sol », produisant un motif semblable à des bardeaux qui se chevauchent. Lorsqu'elles atteignent leur pleine taille, les écailles forment de fines crêtes sur toute leur longueur - de minuscules caractéristiques ondulées qui contrôlent la couleur de l'insecte et l'aident à évacuer la pluie et l'humidité.

L'étude de l'équipe, publiée aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, offre le regard le plus détaillé à ce jour sur l'architecture naissante des écailles de papillon. Les nouvelles visualisations pourraient également servir de modèle pour la conception de nouveaux matériaux fonctionnels, tels que les fenêtres irisées et les textiles imperméables.

"Les ailes de papillon contrôlent bon nombre de leurs attributs en formant avec précision l'architecture structurelle de leurs écailles", explique l'auteur principal Anthony McDougal, assistant de recherche au département de génie mécanique du MIT. « Cette stratégie pourrait être utilisée, par exemple, pour donner à la fois de la couleur et des propriétés autonettoyantes aux automobiles et aux bâtiments. Maintenant, nous pouvons apprendre du contrôle structurel des papillons de ces matériaux complexes micro-nanostructurés. »

Les co-auteurs de McDougal au MIT comprennent le postdoctorant Sungsam Kang, le chercheur scientifique Zahid Yaqoob, le professeur de génie mécanique et de génie biologique Peter So et le professeur agrégé de génie mécanique Mathias Kolle.

Un champ de lucioles

La coupe transversale d'une aile de papillon révèle un échafaudage complexe d'écailles et de côtes dont la structure et la disposition varient d'une espèce à l'autre. Ces caractéristiques microscopiques agissent comme de minuscules réflecteurs, faisant rebondir la lumière pour donner à un papillon sa couleur et son éclat. Les crêtes sur les écailles d'une aile servent de gouttières et de radiateurs miniatures, canalisant l'humidité et la chaleur pour garder l'insecte au frais et au sec.

Les chercheurs ont essayé de reproduire les propriétés optiques et structurelles des ailes de papillon pour concevoir de nouvelles cellules solaires et capteurs optiques, des surfaces résistantes à la pluie et à la chaleur, et même du papier-monnaie à motifs de cryptages irisés pour décourager la contrefaçon. Savoir quels processus les papillons exploitent pour faire croître leurs écailles pourrait aider à orienter davantage ce type de développement technologique bio-inspiré.

Actuellement, ce que l'on sait de la formation des écailles est basé sur des images fixes d'ailes de papillon en développement et matures.

« Des études antérieures fournissent des instantanés convaincants à certains stades de développement ; Malheureusement, ils ne révèlent pas la chronologie et la séquence continues de ce qui se passe à mesure que les structures d'échelle grandissent », explique Kolle. "Nous avions besoin d'en voir plus pour commencer à mieux le comprendre."

Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont cherché à observer en permanence comment les écailles grandissent et s'assemblent dans un papillon vivant en train de se transformer. Ils ont choisi d'étudier des spécimens de Vanessa Cardui, car les ailes du papillon ont des caractéristiques communes à la plupart des espèces de lépidoptères.

L'équipe a élevé des chenilles Painted Lady dans des conteneurs individuels. Une fois que chaque chenille s'est enfermée dans une chrysalide, indiquant le début de sa métamorphose, les chercheurs ont soigneusement découpé le matériau mince comme du papier et décollé un petit carré de cuticule, ou revêtement de l'aile en développement, exposant les écailles qui poussaient en dessous. Ils ont ensuite utilisé un bioadhésif pour coller une lamelle transparente sur l'ouverture, créant une fenêtre à travers laquelle ils pouvaient observer le papillon et ses écailles continuer à se former.

Pour visualiser cette transformation, Kolle et McDougal se sont associés à Kang, Yaqoob et So, des experts d'un type d'imagerie appelé microscopie en phase de réflexion à corrélation de speckle. Plutôt que de projeter un large faisceau de lumière sur l'aile, ce qui pourrait être phototoxique pour les cellules délicates, l'équipe a appliqué un "champ de chatoiement" - de nombreux petits points lumineux, chacun brillant sur un point spécifique de l'aile. La réflexion de chaque petite lumière peut être mesurée en parallèle avec chaque autre point du champ pour créer rapidement une carte détaillée en trois dimensions des structures de l'aile.

"Un champ moucheté est comme des milliers de lucioles qui génèrent un champ de points d'éclairage", explique So. « En utilisant cette méthode, nous pouvons isoler la lumière provenant de différentes couches et reconstruire les informations pour cartographier efficacement une structure en 3D. »

Faire des connexions

Dans leurs visualisations de l'aile de papillon en pleine croissance, l'équipe a observé la formation de caractéristiques très détaillées, allant d'échelles micrométriques à des crêtes encore plus fines de l'ordre du nanomètre à des échelles individuelles.

Ils ont observé qu'en quelques jours, les cellules s'alignaient rapidement en rangées et se différenciaient peu après selon un schéma alterné d'écailles de couverture (celles recouvrant l'aile) et d'écailles au sol (celles cachées en dessous). Au fur et à mesure qu'elles atteignaient leur taille finale, chaque écaille se développait de longues crêtes minces ressemblant à de minuscules toitures en carton ondulé.

« Beaucoup de ces étapes ont été comprises et vues auparavant, mais maintenant nous pouvons toutes les assembler et regarder en continu ce qui se passe, ce qui nous donne plus d'informations sur la façon dont les écailles se forment », explique McDougal.

Fait intéressant, l'équipe a découvert que les crêtes sur les écailles se formaient de manière inattendue. Les scientifiques avaient supposé que ces rainures étaient une conséquence de la compression : à mesure que les gammes grandissaient, on pensait qu'elles se rétrécissaient comme un accordéon. Mais les visualisations de l'équipe ont montré qu'au lieu de rétrécir comme le ferait n'importe quel matériau lorsqu'il était comprimé, les écailles continuaient de grossir à mesure que des crêtes apparaissaient à leur surface. Ces mesures suggèrent qu'un autre mécanisme de formation de crêtes doit être à l'œuvre. Le groupe espère explorer ce processus, ainsi que d'autres, dans l'aile de papillon en développement, ce qui peut aider à éclairer la conception de nouveaux matériaux fonctionnels.

"Cet article se concentre sur ce qui se trouve à la surface de l'aile du papillon", note McDougal. «Mais sous la surface, nous pouvons également voir des cellules s'enraciner comme des carottes et envoyer des connexions à d'autres racines. Il y a une communication sous la surface pendant que les cellules s'organisent. Et en surface, des écailles se forment, ainsi que des caractéristiques sur les écailles elles-mêmes. Nous pouvons tout visualiser, ce qui est vraiment beau à voir.

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation.