Polymères cristaux liquides biomimétiques reproduisant la carapace de scarabées du genre Chrysina : élaboration, structure et propriétés optiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Biomimetic liquid-crystal polymers reproducing the armour of beetles from the genus Chrysina : elaboration, structure and optical properties

Polymères cristaux liquides biomimétiques reproduisant la carapace de scarabées du genre Chrysina : élaboration, structure et propriétés optiques

Résumé

Having a helix structure, cholesteric liquid crystals (CLCs) have many optical properties, including selective reflection of light. They are at the origin of the iridescent colors of the cuticle (exoskeleton) of a large number of insects, such as the beetles of the genus Chrysina. The objective of this thesis is to elaborate by physical way thin films of CLCs in order to realize novel replicas of biological cuticles. The replicas were designed using cyclosiloxane-based oligomers. The relationship between the elaboration pathways, optical properties and structure of the materials was investigated by combining complementary microscopy techniques and spectroscopy. First, the structure and optical properties of the elaborated thin films mimic those of the cuticle of the beetle Chrysina gloriosa. Two versions of the replica of this cuticle were designed: a hybrid version with vitrifiable and crosslinkable oligomers and an elastomeric version with only crosslinkable oligomers. In both versions, the final CLC material is a monolayer with a helix pitch gradient structure that induces green to near-infrared reflection. In addition, the iridescent pattern of green and silver bands was generated by changes in molecular anchoring on the surface. Secondly, the thin films realized are inspired by the structure and optical properties of the cuticle of the beetle Chrysina aurigans. They are wavelength selective (from golden yellow to near infrared) reflective elastomeric films, with different regimes of chiral-achiral structures without interface. They inspired us to develop time-temperature sensors to record the history of the conservation of a product. The approach used in this work, called biomimicry, is based on the fabrication of materials or devices imitating nature to meet different challenges. Indeed, the novel materials that have been realized could find practical uses in optics: optical communication, visual cryptography, stealth, guidance of autonomous vehicles, etc. This thesis is therefore interdisciplinary, at the interface between soft matter physics, optics of anisotropic media, biology and advanced materials technology for optics.
Ayant une structure en hélice, les cristaux liquides cholestériques (CLCs) possèdent de nombreuses propriétés optiques, notamment la réflexion sélective de la lumière. Ils sont à l'origine des couleurs irisées de la cuticule (exosquelette) d'un grand nombre d'insectes, comme les scarabées du genre Chrysina. L'objectif de ce travail de thèse est d'élaborer par voie physique des films minces de CLCs afin de réaliser des répliques inédites de cuticules biologiques. La conception des répliques s'est effectuée à l'aide d'oligomères à base de cyclosiloxane. On a étudié la relation entre les voies d'élaboration, les propriétés optiques et la structure des matériaux, en associant des techniques de microscopie complémentaires et la spectroscopie. Dans un premier temps, la structure et les propriétés optiques des films minces élaborés imitent celles de la cuticule du scarabée Chrysina gloriosa. Deux versions de la réplique de cette cuticule ont été conçues : une version hybride avec des oligomères vitrifiables et réticulables et une version élastomère avec seulement des oligomères réticulables. Dans les deux versions, le matériau CLC final est une monocouche dont la structure, à gradient de pas de l'hélice, induit une réflexion du vert au proche infrarouge. De plus, le motif irisé de bandes vertes et argentées a été engendré par des changements d'ancrage moléculaire en surface. Dans un second temps, les films minces réalisés s'inspirent de la structure et des propriétés optiques de la cuticule du scarabée Chrysina aurigans. Ce sont des films élastomères réflecteurs sélectifs en longueur d'onde (du jaune doré au proche infrarouge), avec différents régimes de structures chirales-achirales sans interface. Ils nous ont inspiré la fabrication de capteurs temps-température afin d'enregistrer l'historique de la conservation d'un produit. La démarche employée lors de ce travail, appelée biomimétisme, repose sur la fabrication de matériaux ou de dispositifs imitant la nature pour répondre à différents enjeux. En effet, les matériaux inédits qui ont été réalisés pourraient trouver des utilisations pratiques en optique : communication optique, cryptographie visuelle, furtivité, guidage de véhicules autonomes, etc. Cette thèse est donc interdisciplinaire, aux interfaces entre physique de la matière molle, optique des milieux anisotropes, biologie et technologie de matériaux avancés pour l'optique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04060401 , version 1 (06-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04060401 , version 1

Citer

Cécilia Boyon. Polymères cristaux liquides biomimétiques reproduisant la carapace de scarabées du genre Chrysina : élaboration, structure et propriétés optiques. Matériaux. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2022. Français. ⟨NNT : 2022TOU30250⟩. ⟨tel-04060401⟩
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