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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III. L'imperméabilité du papillon
  

            

   Nous pouvons constater que les ailes du papillon Morpho ont des propriétés hydrophobes, il ne se mouille pas.

Comment expliquer cette hydrophobie ?

Comment l’homme peut s’en inspirer pour créer des surfaces hydrophobes?
   

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III.A) L'hydrophobie de l'aile de papillon

    Une surface superhydrophobique est caractérisée par un angle de contact entre la surface et l’eau égal (ou supérieur) à 150°. C’est-à-dire que seul 2% à 5% de la surface d’une goutte d’eau sont en contact avec la surface. Autrement dit, la surface superhydrophobe a alors un mouillage extrêmement faible.
Cet angle de contact est défini par la loi de Youg-Duprè.

Une goutte de liquide posée sur un solide peut être plus ou moins ronde ou plate.

La loi de Young-Dupré donne l'expression de l'angle de contact d'une goutte liquide déposée sur un substrat solide, en équilibre avec une phase vapeur gSV, gSL et gLV désignent respectivement la tension superficielle des interfaces solide/vapeur, solide/liquide et liquide/vapeur.

Les trois tensions associées aux trois interfaces doivent s'équilibrer pour que la ligne triple, encore appelée ligne de contact, soit à l'arrêt. La somme vectorielle des trois tensions est donc en principe nulle

Loi de Yong-Dupré:

Un angle de contact faible (goutte très plate) constitue une situation de bon mouillage.

À l'inverse, lorsque l'angle de contact est grand (goutte formant une sphère plus complète), on parle de mauvais mouillage.

La tension superficielle

Au sein d'un fluide les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion.

Ces forces intermoléculaires contribuent à diminuer l'énergie du fluide, et donc à le stabiliser.

Dans le cas de l'eau, ce sont les liaisons hydrogène qui confèrent à l’eau sa force de cohésion.

Les molécules de la surface, exposées au gaz, ne se lient qu'avec les molécules du liquide situées à côté sur la surface ou en dessous d'elles dans le liquide. La résultante des forces pour les molécules de la surface est donc dirigée vers l'intérieur du liquide.

Les liaisons hydrogènes :

Ce sont des interactions de type électrostatique entre un atome hydrogène et un atome possédant un doublet électronique non liant.

Il faut que l'atome d'hydrogène soit lié à un atome suffisamment électronégatif (O, N, halogène).

  

    On peut dire qu’une surface est hydrophobe quand la forme d’une goutte sur cette surface est supérieur à 90° et qu'elle est superhydrophobe quand l’angle est supérieur ou égal a 150°. Voici un schéma servant à montrer la forme d’une goutte d'eau selon l’angle de contact qu’il y a entre la goutte d’eau et la surface :

Sur notre aile de papillon Morpho l’angle est de 129,4°. On se rapproche donc du cas A de superhydrophobie.

L'eau roule alors très facilement sur la surface de l'aile (vidéo de l'expérience avec l'eau sur l'aile). Sur notre aile de papillon Morpho c’est le cas A donc notre aile de papillon Morpho est superhydrophobe. Cela permet aussi à l’eau de glisser très facilement.
 

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III.B) Origine de la superhydrophobie de l'aile de papillon

Découvert en 1976 par Wilhelm Barthlott sur des feuilles de lotus, l’effet lotus explique la superhydrophobie d’une surface par sa structure microscopique.

La feuille de lotus a une structure microscopique vallonnée, formée de petites collines de quelques micromètres de haut..
De plus, ces petites collines ont elles-même une structure nanoscopique rugueuse. Chacune d’entre elles est recouverte de petites bosses.

Cette double structure irrégulière mène à un angle de contact supérieur à 150°, donc à une superhydrophobie.

                    

De même l’aile du papillon possède des micros et des nanotructures que nous avons pu observer au microscope électronique :

écaille observé au microscope optique:               écaille observé au microscope électronique:

   L’aile du papillon Morpho a des stries qui sont elles-mêmes striées et qui sont semblables aux collines du lotus.
L’écart entre chaque petites bosses des collines de la feuille du lotus est de 200 nm. L’écart entre les crêtes des écailles du papillon est du même ordre de grandeur : 120 nm.
Cette organisation des écailles expliquerait donc le caractère super-hydrophobe de l’aile.

     



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III.C) Applications technologiques possibles pour l'Homme

    

L’Homme pourrait s’inspirer de la structure des ailes du papillon morpho pour rendre les téléphones et les tissus imperméables.

https://www.youtube.com/watch?v=Htr-J5ojRDc

Cette caractéristique permettrait aussi de réaliser des surfaces anti-salissantes et/ou autonettoyantes :
A- Surface rugueuse : les particules sont emportées par la goutte d’eau qui roule car la force d’attraction entre les particules et la goutte est supérieure à la force d’attraction entre les particules et la surface.

B- Surface lisse:  les particules ne sont pas emportées mais répandues sur la surface.

Les surfaces auto-nettoyantes seraient idéales pour les sanitaires, les vitres, les façades, les baskets…

Des chercheurs ont crée des laques rugueuses applicables sur des voitures par exemple..

   

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IV. La thermorégulation du papillon Morpho

      La thermorégulation est l'ensemble des mécanismes qui permet à un organisme ou à un système de se maintenir à une température souhaitée.
Cette dernière se fait par production et par perte de chaleur.

      Le Papillon Morpho est un être vivant ectotherme : sa température dépend de celle du milieu dans lequel il vit. Cette dernière varie donc beaucoup tout au long d’une journée (voir graphique ci-dessous : 

      Au delà d’une certaine température le papillon Morpho est en danger car son métabolisme (ensemble des réactions chimiques cellulaires) est modifié.
      Heureusement, il est capable de se refroidir principalement en vol avec l’air environnant, mais il est aussi capable de maintenir sa température sous les 40°C grâce à la structure de ses ailes. 

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