Étude des propriétés photoniques de diatomées

par Ali Mcheik

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Sophie Cassaignon et de Serge Berthier.

Le président du jury était Alexa Courty.

Le jury était composé de Brivaëla Moriceau, Jean-François Guillemoles.

Les rapporteurs étaient Carole Deumié-Raviol, Alain Demourgues.


  • Résumé

    Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’étude des propriétés photoniques de quatre espèces de diatomées du genre Coscinodiscus : C. wailesii, C. specie, C. radiatus et C. radiatus-cf. Les diatomées sont des micro-algues unicellulaires constituées d’une cellule unique encapsulée dans une matrice inorganique de silice poreuse appelée frustule. Nous avons effectué des cultures de ces espèces, puis extrait les frustules afin de les caractériser, tant du point de vue de leur composition que de leur morphologie, par microscopie électronique et tomographie RX. Le frustule est constitué de trois couches de silice (le foramen, le cribrum et le cribellum) présentant une structure poreuse hiérarchique, s’étendant du micromètre au nanomètre, et formant ainsi une matrice tridimensionnelle complexe pouvant présenter des propriétés photoniques. Le foramen et le cribrum présentent des réseaux de pores de périodicité importante dont les dimensions caractéristiques (taille des pores, pas du réseau…) sont de l’ordre de grandeur des ondes lumineuses. Les propriétés optiques des frustules ont alors été étudiées expérimentalement par imagerie spectrale et théoriquement par simulations numériques par la méthode des éléments finis. Nous avons ensuite mis en évidence un effet de concentration de la lumière visible transmise sur l’axe de la diatomée à quelques dizaines de micromètres derrière le frustule. Cet effet s’avère dépendre de la longueur d’onde incidente ainsi que de l’orientation du frustule. Finalement, nous avons montré, par approche théorique et simulations numériques, que cet effet de concentration de la lumière le long de l’axe est majoritairement dû au foramen et que les autres couches n’ont qu’un effet marginal. Une telle micro et nano-structuration complexe de la matière est actuellement inaccessible à l’échelle industrielle. Cette structure présente cependant des effets de concentration et de filtration des ondes lumineuses d’un grand intérêt dans de nombreux domaines (photovoltaïque, cosmétique, peinture…) et on peut donc envisager raisonnablement une utilisation directe des diatomées.

  • Titre traduit

    Study of the photonic properties of diatoms


  • Résumé

    The work presented in this thesis deals with the study of the photonic properties of four diatom species of the genus Coscinodiscus: C. wailesii, C. specie, C. radiatus et C. radiatus-cf. Diatoms are unicellular microalgae consisting of a single cell encapsulated in an inorganic matrix of porous silica called frustule. We performed cultures of these species, then extracted the frustules to characterize them, both in terms of their composition and their morphology, by electron microscopy and X-ray tomography. The frustule consists of three silica layers (the foramen, cribrum and cribellum) with a hierarchical porous structure, ranging from micrometer to nanometer scale, and thus forming a complex three-dimensional matrix that may have photonic properties. The foramen and cribrum have periodic pores networks whose characteristic dimensions (pore size, lattice constant…) are of the order of light wavelengths. The optical properties of the frustules were then studied experimentally by spectral imaging and theoratically by numerical simulations by finite element method. We demonstrated a concentration effect of visible light transmitted on diatom’s axis a few tens of micrometers behind the frustule. This effect appears to depend on the incident wavelength as well as the orientation of the frustule. Finally, we have shown by theoratical approach and numerical simulations, that light concentration effect along the axis is mainly due to the foramen and the rest of layers have only a marginal effect. Such complex micro and nano-structuring of matter is currently impossible on an industrial scale. This structure, however, has optical effects of light concentration and filtration of great interest in many fields (photovoltaics, cosmetics, paint…) and it is therefore reasonnable to consider a direct use of diatoms.


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