Etude théorique et expérimentale de la fluorescence de structures photoniques naturelles

par Eloise Van Hooijdonk

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Serge Berthier et de Jean-Pol Vigneron.

Soutenue en 2012

à Paris 6 en cotutelle avec l'Université de Namur .


  • Résumé

    Les élytres de coléoptères ou les écailles de papillons sont des matériaux qui, suite à l’évolution, présentent des propriétés étonnantes (rigidité, hydrophobicité, etc. ). De plus, ils manipulent la lumière pour fournir une coloration précise. Cette dernière peut être pigmentaire ou structurale, selon qu’elle est élaborée par la structure électronique ou la géométrie du matériau. Parmi les pigments, on trouve des molécules fluorescentes, capables d’absorber un flux incident et d’émettre un flux de plus faible énergie. Le confinement de telles sources dans une structure photonique modifie les propriétés du phénomène (absorption du flux incident, distribution spatiale de l’émission, etc. ). L’industrie, tentant de fabriquer des produits avec certaines spécificités, utilise un large éventail de matériaux. La limitation provient d’un manque d’imagination sur les structures à adopter pour atteindre tel ou tel effet. A contrario, la nature offre une vaste gamme d’architectures, bâties à partir de matériaux analogues. La bio-inspiration tente de réunir ces deux domaines en vue de synthétiser des produits inédits. Ce projet s’attache au contexte particulier de la fluorescence confinée dans une structure photonique naturelle. Avant de transposer artificiellement les observations de la nature, il est crucial d’en comprendre la physique sous-jacente. Les structures tégumentaires des insectes furent décrites au moyen de la microscopie. Leurs propriétés de réflexion et d’émission furent étudiées à l’aide de mesures spectrophotométriques angulaires. Des simulations numériques basées sur la méthode des matrices de diffusion furent menées afin d’expliquer les observations expérimentales.

  • Titre traduit

    Theoretical and experimental study of the fluorescence in natural photonic structures


  • Résumé

    Elytra of beetles or scales of butterflies are materials that, from natural selection, evolved amazing properties (rigidity, hydrophobicity, etc. ). In addition, they manipulate the light to target a specific color. The most common is the pigmentary coloration, relative to the electronic structure of the material, but the structural coloration, relative to the geometry of the material, cannot be neglected. Among the pigments stand the fluorescent molecules, able to absorb an incident flux and to emit a lower energy flux. The fluorescent sources confinement in a photonic structure modifies the phenomenon properties (incident flux absorption, emission spatial distribution, etc. ). Industry, that tends to manufacture products with well-targeted features, uses a large variety of materials. The limitation comes from a lack of imagination for designing the structures in order to obtain a specific effect and from an inefficiency to generate them with the nowadays available technology. Conversely, nature offers a wide range of architectures, built from a narrow range of materials. Bio-inspiration combines both fields in order to synthesize new products. This project focused on the precise context of fluorescence confined in a natural photonic structure. Before artificially transpose the observations of nature, it was crucial to understand the underlying physics. Experimentally, the integumentary structures of some insects have been described using microscopy techniques. Reflection and emission properties were studied using angular and spectrophotometric measurements. Numerical simulations based on the scattering matrix method were conducted in order to explain the observations.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (253 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 241-253. 196 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Biologie-Chimie-Physique Recherche.
  • Consultable sur place dans l'établissement demandeur
  • Cote : T Paris 6 2012 129
  • Bibliothèque : Centre Technique du Livre de l'Enseignement supérieur (Marne-la-Vallée, Seine-et-Marne).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : PMC RT P6 2012 129
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