Les rayons X révèlent la structure des plumes de martin-pêcheur avec un niveau de détail sans précédent
Dans la Chine de la dynastie Qing, les artisans embellissaient des pièces décoratives en incorporant des plumes iridescentes de martin-pêcheur, une technique connue sous le nom de tian-tsui. Des scientifiques du Centre d’études scientifiques sur les arts de l’Université Northwestern ont utilisé l’imagerie par rayons X à haute énergie pour obtenir une résolution à l’échelle nanométrique sans précédent de la structure unique de ces plumes, présentant leurs découvertes lors de la réunion annuelle de l’Association américaine pour l’avancement des sciences.
Comme précédemment rapporté, la nature est l’ultime nanofabricant. Les couleurs iridescentes brillantes des ailes de papillon, des bulles de savon, des opales ou des carapaces de scarabées ne proviennent d’aucune molécule de pigment mais de leur structure, des cristaux photoniques naturels. Dans la nature, les écailles de chitine (un polysaccharide commun aux insectes), par exemple, sont disposées comme des tuiles de toit. Essentiellement, elles forment un réseau de diffraction, sauf que les cristaux photoniques ne produisent que des couleurs spécifiques, ou des longueurs d’onde, de lumière, tandis qu’un réseau de diffraction produira tout le spectre, un peu comme un prisme. Dans le cas des plumes de martin-pêcheur, la couleur est due aux crêtes microscopiques qui recouvrent les rangées parallèles de brins de kératine qui poussent le long de la tige centrale.
Également connus sous le nom de matériaux à bande interdite photonique, les cristaux photoniques sont accordables, ce qui signifie qu’ils sont précisément ordonnés pour bloquer certaines longueurs d’onde de lumière tout en laissant passer d’autres. Modifiez la structure en changeant la taille des tuiles, et les cristaux deviennent sensibles à une longueur d’onde différente. Ils sont utilisés dans les communications optiques comme guides d’ondes et commutateurs, ainsi que dans les filtres, les lasers, les miroirs et divers dispositifs furtifs antireflet.
Le poète du 19e siècle Gerard Manley Hopkins a rendu hommage au plumage brillant du martin-pêcheur dans son poème As Kingfishers Catch Fire, mais les poètes et artistes chinois en faisaient l’éloge bien avant cela. Le tian-tsui (piquer avec des martins-pêcheurs) est un exemple parfait de la valeur accordée aux plumes. Les plumes étaient découpées et collées sur de l’argent doré et utilisées comme incrustations pour des objets comme des éventails, des épingles à cheveux, des paravents et des panneaux, ou des coiffes, soigneusement orientées en motifs complexes pour rehausser les teintes éblouissantes. Les plumes étaient si populaires, en fait, que les populations de martins-pêcheurs ont été déclarées en danger après la Révolution communiste chinoise. Le dernier atelier de tian-tsui a fermé en 1933.
Une nanostructure spongieuse
L’équipe de Northwestern a commencé à examiner les plumes de martin-pêcheur dans les objets tian-tsui via la postdoctorante Madeline Meier, qui a une formation en chimie et en nanostructures, et souhaitait combiner cette expertise avec des études du patrimoine culturel. La première étape consistait à identifier les espèces d’oiseaux qui ont fourni les plumes utilisées dans les paravents et panneaux de la dynastie Qing, ainsi que d’autres matériaux utilisés. Les chercheurs ont soigneusement gratté les couches supérieures et imagé les plumes avec la microscopie électronique à balayage pour mieux observer la nanostructure sous-jacente. L’imagerie hyperspectrale a révélé comment différentes zones des paravents absorbaient et réfléchissaient la lumière.
L’équipe a également utilisé le partenariat du centre avec le Field Museum de Chicago, comparant les plumes des paravents avec la vaste collection d’espèces d’oiseaux naturalisés du musée. Les paravents et panneaux contenaient des plumes de martins-pêcheurs communs et de martins-pêcheurs à coiffe noire, ainsi que de canards colverts (utilisés pour ajouter des teintes vertes). Enfin, la fluorescence X et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier leur ont permis de créer une carte des divers produits chimiques utilisés dans la dorure, les pigments, les colles et autres matériaux.
Plus récemment, le laboratoire s’est associé au Laboratoire national d’Argonne et a utilisé le rayonnement synchrotron pour obtenir une vue encore meilleure de la nanostructure des plumes de martin-pêcheur. Le rayonnement synchrotron diffère des rayons X conventionnels en ce qu’il s’agit d’un faisceau mince de rayons X de très haute intensité généré dans un accélérateur de particules. Les électrons sont tirés dans un accélérateur linéaire (linac), obtiennent une accélération dans un petit synchrotron et sont injectés dans un anneau de stockage, où ils filent à une vitesse proche de celle de la lumière. Une série d’aimants plie et focalise les électrons, et dans le processus, ils émettent des rayons X, qui peuvent ensuite être focalisés le long de lignes de faisceau.
Cela le rend idéal pour l’imagerie non invasive, car en général, plus la longueur d’onde utilisée est courte (et plus l’énergie de la lumière est élevée), plus les détails que l’on peut imager et/ou analyser sont fins. C’est devenu une technique populaire pour imager des artefacts archéologiques fragiles sans les endommager, comme les coiffes de la dynastie Qing avec des incrustations de plumes de martin-pêcheur. Dans ce cas, l’imagerie a révélé que les crêtes microscopiques des plumes ont une forme sous-jacente semi-ordonnée, poreuse et spongieuse qui réfléchit et diffuse la lumière, donnant ainsi aux plumes leurs teintes glorieusement brillantes.
Admirées depuis longtemps dans la poésie et l’art chinois, les plumes de martin-pêcheur ont des propriétés optiques étonnantes, a déclaré la coauteure Maria Kokkori. Nos découvertes améliorent non seulement notre compréhension des matériaux historiques, mais remodèlent également notre façon de penser l’innovation artistique et scientifique, et l’avenir des matériaux durables.
