Thèse Tags Optiques Chiraux. Conception Biomimétique Propriétés Optiques et Structurelles H/F

Université Côte d'Azur

Le système visuel de certains poissons distingue les changements de couleur et de polarisation. Les cristaux liquides cholestériques réfléchissent sélectivement la lumière. Longueur d'onde, de l'UV à l'IR, et polarisation, de circulaire à elliptique, varient avec l'angle d'observation. L'hypothèse de l'encadrant est que les poissons pourraient utiliser cette versatilité des motifs réflecteurs de leurs écailles en collagène cholestérique pour se mouvoir collectivement et se réorienter avec une rapidité remarquable au sein d'un banc. Dans une démarche biomimétique inédite, l'objectif est d'élaborer des tags optiques réflecteurs inspirés de ces structures biologiques avec la lecture optique des images codées dans ces tags. Le sujet comporte une forte composante expérimentale et est de nature interdisciplinaire. Il s'agit de corréler les caractéristiques physiques des tags élaborés en lien avec les propriétés chiro-optiques de l'onde réfléchie.
Le travail du doctorant consistera à réaliser des versions artificielles comportant des structures torsadées singulières : (1) à gradient de pas hélicoïdal à la place d'un pas monotone ; (2) à orientation variable de l'axe de symétrie, au lieu d'être constant dans l'espace ; (3) à double hélicité alors que la torsion gauche domine dans le monde vivant. Ce travail d'élaboration sera accompagné de l'étude des propriétés optiques des films biomimétiques et de leur structure à petite échelle, par microscopie électronique ou à champ proche. L'objectif est de couvrir la chaîne élaboration - optique - structure. Suivant l'avancée du travail de recherche, elle pourra s'étendre jusqu'au prototypage en lien avec des chercheurs spécialisés dans les capteurs optiques et la robotique.

Les répliques de structures biologiques photoniques utilisent des techniques d'empreinte ou de moulage par voie chimique (méthodes sol-gel) ou physique (dépôt plasma). Lorsque le terme de biomimétisme est rencontré dans les publications il s'agit souvent de bio-analogies, de ressemblances géométriques et texturales. Structurer et mettre en forme des cristaux liquides (CLs) synthétiques à des fins biomimétiques est une solution sous-utilisée. Cependant, les CLs sont des états de la matière d'excellence pour réaliser des structures multi-échelles et auto-organisées à 3D. Cette voie pourrait produire des matériaux multifonctionnels aux propriétés physiques spécifiques provenant de structures moléculaires à géométrie torsadée complexe que les approches conventionnelles n'ont pas atteintes.
Il ressort de l'analyse bibliographique sur les CLs torsadés biologiques publiée par l'encadrant [7] que les structures mosaïquées (stries, spots, pixels) des insectes et des écailles de certains poissons se déplaçant au sein d'un banc intriguent biologistes et physiciens. Il semble que la nature ait trouvé dans la structure torsadée une solution intelligente et économe à des problèmes d'ingénierie pour un large spectre de fonctions. Cependant, beaucoup de questions sont ouvertes au sujet de la raison de ces variations géométriques, les caractérisations optiques sont peu nombreuses et les systèmes-modèles rares.

Elaborer par voie physique des tags optiques de cristal liquide cholestérique dont la forme, les propriétés de réflexion de la lumière et la polarisation reposent sur l'implémentation de gradients compositionnels dans le film optique, et le réglage différentiel de la bande spectrale des taggants au sein d'un seul et même tag. Coupler la réponse optique aux caractéristiques des tags réflecteurs. Parvenir à une preuve de concept.

Partir de l'hypothèse de l'origine de la mouvance remarquable d'un banc de poissons quant à son orientation et la rapidité de son changement. Il existe un parallèle entre les cristaux liquides cholestériques artificiels et les motifs de collagène cholestérique sur les écailles des poissons ; de plus, la littérature décrit le système visuel de certains poissons comme étant capable de détecter des changements de couleur et de polarisation en fonction de l'angle d'observation. Elaborer des tags inspirés de ceux des poissons. Déterminer leur réponse chiro-optique et leur structure. Concevoir un système tag-capteur. Adresser le guidage optique manquant aux technologies soutenant le guidage autonome de véhicules [8 ,9].