Architectures Biominérales : le modèle 'Corail Rouge' – CoRo

Les différentes techniques suivantes sont utilisées: microscopie optique, microscopie à balayage et en transmission, diffraction des électrons retrodiffusés (EBSD), diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron, cartographies chimiques par microsonde électronique, SIMS et nano-SIMS. Nous caractériserons aussi la porosité, aspect souvent négligé, de ces structures biominérales par manométrie isotherme. Des synthèses expérimentales de carbonate de calcium par carbonatation hydrothermale sont aussi prévues pour explorer les relations entre surfaces de cristaux de calcite et composés organiques.

Les biominéraux montrent souvent des organisations hiérarchisées complexes et peuvent apporter des informations sur la nature d'un nouveau type d'organisation cristalline connue sous le nom de 'mesocristaux'. Dans les coraux rouges, deux types de structures ont été étudiées: le squelette axial et les sclerites (petits grains de calcite magnésienne contenus dans les tissus de l'organisme).
1 - dans le squelette, les unités structurales sont arrangées en huit niveaux hiérarchiques correspondant à des modules cristallographiques orientés de façon presque identique. Chaque module est fait de modules plus petits et constitue un élément d'un plus gros module. Cette organisation est observée jusqu'à l'échelle de quelques nanomètres. Le concept d'organisation mésocristalline s'applique donc aussi au coraux rouges et nous ajoutons à ce concept la notion de modularité multi-échelle. Les études EBSD and MET montre que le degré de désorientation entre les unités décroît avec la taille du module et donc la transition entre une ordre cristallographique imparfait à grande échelle et un ordre parfait à petite échelle est progressif.
2 - Les sclerites (aussi dénommées spicules) sont des structures idéales pour décrypter les principes d'organisation cristallographique dans les biominéraux et explorer les relations subtiles entre morphologie et cristallographie. Les sclerites sont faites de petites unités submicrométriques bien identifiables. Les études EBSD montrent à nouveau que ces unités sont orientées de façon similaire mais pas parfaitement identique. Le concept de mesocristal s'applique donc aussi aux sclérites. Des études EBSD à haute résolution spatiale montrent que les légères désorientations observées ne sont pas aléatoires mais organisées : elles résultent de la rotation des cristallites autour des trois axes 'a' de la calcite. Cette observation amène au nouveau concept de 'désorientation ordonnée'.

Le projet n'en est qu'à son commencement.
Les études sur objets naturels sont en cours (MEB, MET, EBSD, DRX, IR, Raman, ).
Nous sommes dans les phases préparatoires pour les aspects expérimentaux (achat des appareils, mises au point expérimentales).

1 article accepté pour publication : Ordered Misorientations and Preferential Directions of Growth in Mesocrystalline Red Coral Sclerites. Journal of Crystal Growth.

1 article en préparation : Magnesium and sulfur distribution in the Red Coral.

1 conférence invitée : Order and disorder in biominerals: the example of the Mediterranean red coral. Materials Research Society, Avril 2012, San Francisco

Les coraux rouges précieux de Méditerranée (Corallium rubrum) et de l’Ouest du Pacifique (Corallium Japonicum et Corallium Elatius) sont d’excellents organismes modèles pour mieux comprendre la croissance cristalline bio-assistée et l’organisation des structures dans des systèmes complexes à l’interface organique/inorganique.
Dans ce projet, nous prévoyons de déchiffrer l’organisation hiérarchique chimique / physique / morphologique des squelette de ces différents coraux et de leurs sclérites en utilisant la cristallographie comme fil directeur. Pour cela nous utiliserons les différentes techniques suivantes : microscopie optique, microscopie à balayage et en transmission, diffraction des électrons retrodiffusés (EBSD), diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron, cartographies chimiques par microsonde électronique, SIMS et nano-SIMS. Nous caractériserons aussi la porosité, aspect souvent négligé de ces structures biominérales par manométrie isotherme.
Des synthèses expérimentales de carbonate de calcium par carbonatation hydrothermale sont aussi prévues pour explorer les relations entre surfaces de cristaux de calcite et composés organiques. Deux grandes séries d’expériences seront conduites : (1) des surcroissances de calcite submicrométrique sur des surfaces préexistantes de carbonate de calcium (squelette et sclérites de coraux rouges), et (2) nucléation et croissance de calcite en présence de molécules organiques modèles, naturelles ou synthétiques.
Ce projet implique deux partenaires : (1) le CINaM – Marseille spécialisé dans la caractérisation des propriétés physico-chimiques des matériaux organiques et inorganiques de nano à macro échelle, (2) ISTerre – Grenoble spécialisé dans la croissance de calcite en solution. Ce projet bénéficiera aussi de collaborations établies de longue date avec différentes institutions océanographiques (ICM Barcelona, COM Marseille, CSM Monaco) et d’autres laboratoires (BioGéosciences Dijon, Caltech Pasadena). Ce projet fait partie de l’action COST TD0903 ‘Understanding and manipulating enzymatic and proteomic processes in biomineralization.