Introduction papillon morpho

L'Homme s'est beaucoup inspiré de la nature pour développer de nouvelles technologies

     L'Homme s'est beaucoup inspiré de la nature pour développer de nouvelles technologies.

L'Homme s'est inspiré de la chauve souris pour faire des sonars. 

    

   Il s'est également inspiré des nageoires de baleines pour créer des éoliennes similaires à ces nageoires.

   Le papillon Morpho présente des caractéristiques que l'Homme pourrait reproduire pour également développer de nouvelles technologies.


   Nous avons choisi de travailler sur le papillon Morpho car c'est un insecte dont nous n'avions jamais entendu parler, c'est pour cela que nous nous sommes intéressés à ce magnifique papillon bleu ( noir à la base mais que nous percevons bleu ). Il est doté de nombreuses caractéristiques très étonnantes et surprenantes.

Comment l'Homme peut-il utiliser les stratégies du papillon Morpho pour développer de nouvelles technologies ?

Sommaire :

- I. Le cycle de vie du papillon
     A) Le déroulement du cycle
     B) La rencontre avec un spécialiste
     C) Les caractéristiques
     D) La structure des ailes

- II. La couleur du papillon Morpho
     A) La diffraction de la lumière
     B) L'origine de la couleur du Morpho
     C) L'application des propriétés du Morpho
- III. L'imperméabilité du papillon Morpho
     A) La structure des ailes permettant l'hydrophobie

     B) L'exemple de la feuille de lotus

     C) L'espace inter-stries

- IV. La thermorégulation du papillon
     A)Explication sur la dissipation de l'énergie                                                                       B)En quoi la structure des ailes permet l'émission d'Infra Rouge
     C)Application
    -V.Conclusion et bibliographie

                                                                                                       

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I.A) Le cycle de vie du papillon

   Le papillon morpho est un papillon qui provient des forêts tropicales d'Amérique centrale et d'Amérique du Sud. Cet insecte se nourrit principalement de jus de fruits mûrs, de feuilles de trèfles et de plantes de cacahuètes. Sa durée de vie est d'environ deux mois. Une femelle peut pondre entre 80 et 300 œufs durant un cycle d'environ 115 jours.

                                                                                                                                                                               

     

 Le cycle de vie du papillon Morpho

                              

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I.B) La rencontre avec un spécialiste 

Durant les vacances d'Octobre nous sommes allés rendre visite au seul éleveur de papillons Morphos en France, Jean Pierre Vesco, qui se situe à Valréas, près d'Orange qui nous a apporté beaucoup d'informations sur ce papillon, dont certaines que nous avons pu enregistrer.

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I.C) Les caractéristiques du papillon Morpho

Le papillon morpho est doté de nombreuses caractéristiques assez surprenantes pour un insecte qui sont les suivantes :

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I.D) La structure des ailes

Afin de mieux comprendre la structure des ailes du papillon Morpho, nous avons fait des observations en microscopie optique et en microscopie électronique grâce à M. Lautru, ingénieur à l'ICSM  (Institut de Chimie Séparative de Marcoule) dans le service de M. Podor.

Le fonctionnement du microscope électronique : 

La vitesse des électrons est augmentée au maximum, pour cela il faut polariser les éléments qui se trouvent dans la colonne du microscope électronique, qui vont donc nous permettre d'accélérer les électrons, et de diminuer la longueur d'onde. Plus l'on diminue la longueur d'onde, plus l'on peut observer profondément l'échantillon. Ensuite, les électrons dit "rétro-diffusés" vont interagir avec le noyau des atomes qui composent l'échantillon. A ce moment la, ces électrons transportent une certaine information, notamment la densité de ce noya et vont renvoyer une image.

Nous avons comparé les photos que nous avons effectué au lycée au microscope optique, sur lesquelles nous ne pouvons pas précisément observer les stries avec celles que M. Lautru nous a effectué au microscope électronique.

           

                                                      

Nous avons également trouvé dans le livre de Serge Bertier une image, présente ci-dessous, qui nous permet de bien comprendre la structure des ailes.

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II. La couleur du papillon Morpho

    Le papillon morpho a une couleur caractéristique bleu irisé, c'est-à-dire que ce bleu à différentes nuances qui vont de cyan jusqu'au bleu violâtre. De plus il a un aspect brillant, en effet selon l'angle d'inclinaison la couleur perçue est différente.  Néanmoins on sait que ce bleu n'est pas dû à des pigments présents sur les ailes du morpho ainsi  cette couleur vient de la structure des écailles. 

      Sur la vidéo ci-dessus, on peut voir cette variation de couleur chez le papillon morpho. Et nous cherchons à comprendre comment peut-on expliquer cette couleur ?

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II.A) La diffraction de la lumière

   La diffraction est une modification de la direction de propagation d'une onde lors de sa rencontre avec un obstacle ou une ouverture de petite dimension.

 
   Ainsi, la diffraction de la lumière blanche correspond à la déviation de l'ensemble des radiations colorées contenues dans la lumière blanche, c'est-à-dire l'ensemble des radiations du domaine visible. Cela forme sur un écran, le spectre de la lumière blanche : il est continu et s'étend du violet(400 nm) jusqu'au rouge(800 nm).

Les conditions pour qu'une onde soit diffractée sont : 

• qu'elle rencontre un obstacle (fil) ou une ouverture dans une surface (fente).
• que l'obstacle ait une dimension du même ordre que la longueur d'onde. 
  

    De ce fait, si on diffracte à l'aide d'une fente une lumière monochromatique comme le schéma ci-dessous , cela construit sur l'écran une figure de diffraction composée de plusieurs tâches lumineuses séparées par des zones d'ombre.

   Lorsqu'un faisceau parallèle de lumière de longueur d'onde λ traverse une fente de largeur α , la demi-largeur angulaire θ de la tache centrale de diffraction est tel que :  θ = λ/α

   Maintenant, si on diffracte une lumière polychromatique comme la lumière blanche, on obtient la figure de diffraction suivante :

Figure de diffraction de la lumière blanche

On remarque que les différentes radiations colorées se sont  superposées pour former un spectre discontinu où les couleurs perçues sont  différentes des couleurs spectrales. En effet, les ondes s'additionnent ou s'annulent par endroit. C'est ce que l'on appelle le phénomène d'interférence lumineuse.

     Ainsi, si en se superposant, les ondes s'additionnent alors elles sont dites constructives, sinon elles s'annulent et sont dites destructives.

Interférence d'ondes

   Maintenant si les ondes rencontrent plusieurs fentes, elles vont être diffractées par chacune des fentes et ainsi les ondes vont interférer. Comme l'illustre le schéma ci-dessous :    

    

    Ainsi, nous avons fait l'expérience avec un laser et trois fentes, nous avons diffracté la lumière puis les ondes ont interféré. Nous avons obtenu une figure de diffraction striée verticalement par des lignes sombres.

    En effet, les différentes ondes concentrées dans le laser ont été dispersées puis ont interféré comme sur le schéma ci dessous.

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II.B) L'origine de la couleur du Morpho

   Chez le papillon morpho, ce sont ces phénomènes lumineux qui sont à l’origine de sa couleur bleu irisé. En effet comme sur la photo prise au microscope électronique lors de notre visite à l'ICSM (Institut de Chimie Séparatrice de Marcoule) ci-dessous, on peut voir ces interférences.

Photographie des écailles avec des interférences au microscope électronique

    En effet, les lamelles présentes sur l'ensemble des écailles jouent le rôle de fentes. A l'aide de photos prises au microscope électronique et d'un logiciel de mesures précises, nous avons mesuré la distance entre deux lamelles.Sur le schéma ci-dessous, cette distance correspond à e et θ à l'inclinaison de lamelles. Au final, e varie mais reste aux alentours de 0,500μm soit 500 nm, le même ordre de grandeur que la lumière, ce qui explique le phénomène de diffraction.

      Les radiations colorées de la lumière vont être absorbées par les écailles. C'est un pigment la mélanine qui donne principalement la couleur noire aux écailles et c'est cette couleur noire qui permet d'absorber les radiations. 

   
    Seulement lors du changement de milieu de l'air vers l'écaille, les radiations qui ne sont pas réfractées et absorbées par la mélanine, vont être reflétées. Et parmi ces ondes reflétées, certaines vont parcourir plus de distance que d'autres ainsi il va y avoir un décalage entre elles. Donc en se superposant avec ce décalage, les ondes interférent et la couleur perçue apparait comme bleu.
   
    Ainsi, si on modifie l'angle d'inclinaison de l'aile, on modifie le point de vu et on s'aperçoit que le Morpho peut se foncer et même prendre une couleur violette. En effet, les ondes bleues sont réfléchies dans toutes les directions et ainsi le décalage entre les ondes va varier selon leur direction. Donc les différentes interférences ne donneront pas toutes la même couleur perçue.

     

    Maintenant, vu que la diffraction de la lumière dépend de l'indice optique ou de réfraction du milieu, (dans l'air n=1), nous avons cherché à modifier cet indice pour prouver que la couleur du Morpho provient bien du phénomène de diffraction. Sachant que les ailes du Morpho sont hydrophobes  nous avons utilisé de l'acétone (n=1,356), une espèce chimique volatile pour faciliter le séchage de l'aile. 

   

   
    
    Nous pouvons constater l'aile perd sa couleur bleue mais elle revient une fois l'aile sèche. Donc la couleur du Morpho est d'origine structurale et non du à la présence d'un pigment bleu.

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II. C) L'application des propriétés du morpho

Les propriétés de la structure des écailles du morpho ont inspiré les chercheurs de la société Nanotech security corp. En effet, cette entreprise de nanotechnologie est spécialisée sur le papillon morpho.

Ils ont mis au point un tissu le Morphotex qui a les mêmes propriétés optique que les ailes du Morpho. En effet, par empilement de 61 couches de nylon et de polyester dont chacune sont d'épaisseurs différentes et d'indice de réfraction différents, ils ont réussi à recréer ce phénomène de diffraction en s'inspirant de la nature.

    Ensuite, l'entreprise japonaise Teijin Fibers à utilisé le Morphotex pour produire des tissus colorés sans teintures ou produits similaires. De plus, ils ont également simplifié la structure de leur tissu pour éviter qu'en contact avec un liquide, la couleur du tissu change puisqu'elle repose sur la diffraction et que l'indice de réfraction à une influence non négligeable.

    Ainsi, ce textile est utilisé pour créer des collections de vêtement sans teinture donc moins polluant comme la robe ci-dessous : 

    Néanmoins, ce matériau peut également être utilisé pour fabriquer des billets de banque qui garantiraient leur sécurité puisqu'il permettraient de lutter contre la fraude et la fabrication de faux billets. En effet, il serai plus sûr qu'un hologramme car il n'utilise pas de pigments ni de colorants. Comme cet ébauche de l'entreprise Nanotech Security Corp ci-dessous :

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