Matériaux phononiques bio-sourcés – biophoNonics

Nos résultats préliminaires démontrent pour la première fois que les BPM peuvent être conçus et contrôlés par la manipulation du phénotype végétal. Dans ce projet, nous avons amélioré la détection des ondes acoustiques de surface en mettant en œuvre des techniques ultrasons-laser permettant de générer des ultrasons à l’aide d’impulsions laser ultracourtes. Cette approche simplifie l'évaluation des BPM sur puce. Grâce aux connaissances acquises en biologie végétale, nous avons affiné notre contrôle des caractéristiques phononiques en modulant la topologie (géométrie, périodicité des parois cellulaires) et les propriétés mécaniques (adhérence, anisotropie) des tissus végétaux. Nous avons simulé tous ces effets à l'aide d'outils numériques, ce qui nous a permis de mieux comprendre le comportement des phonons et les mécanismes biologiques sous-jacents à la propagation inhabituelle des ondes. Nous avons également étudié l’impact de ce type de matériaux sur le métabolisme socio-écologique dans lequel ils pourraient être incorporés, en élargissant l’approche aux « matériaux de l’Anthropocène » et en sensibilisant ainsi diverses autres communautés.

En matière d'instrumentation, nous avons mis en œuvre plusieurs méthodes de détection des ondes acoustiques de surface, dont la transient grating (TG), initialement non prévue. Aujourd'hui, cette technique est un outil de référence pour l'étude des phonons dans les plantes et constitue une implémentation unique en France. Nous avons également mis en œuvre la diffusion Brillouin stimulée et nous développons actuellement cette technique et transférons cet outil sur la plateforme ILMtech. La combinaison des technologies TG et Brillouin devrait permettre de nombreux nouveaux projets dans le domaine des microstructures phononiques végétales.

Nous avons développé des modèles par éléments finis et analytiques, des techniques d'analyse d'images et des problèmes inverses permettant d'identifier les caractéristiques phononiques des BPM. Nous avons notamment observé l'influence de l'adhésion sur la formation des gap et l'influence de divers médicaments sur le comportement de ces gaps. De nombreuses applications découleront de ces résultats.

Enfin, nous avons démontré la capacité d'étudier les racines d'Arabidopsis, dans lesquelles nous avons observé une symétrie radiale des propriétés mécaniques à l'échelle cellulaire. Par étirement mécanique, nous étudions actuellement la possibilité de contrôler les caractéristiques phononiques de ces échantillons.

Sur le plan de la réflexion philosophique, les résultats se sont avérés significatifs tant sur le plan méthodologique (comment étudier un objet qui n'existe pas encore pleinement et décrire les interactions entre les disciplines qui l'entourent) que sur le plan conceptuel (avec les concepts de « bio-détournement » et de « détournement matériel »). Nous avons également élargi la réflexion à la question du métabolisme des matériaux entre nature et société à l'ère de l'Anthropocène. Ceci nous a permis de rassembler une petite communauté internationale et interdisciplinaire, d'initier de nouvelles collaborations et de sensibiliser un large éventail de communautés et de cultures.

Le projet a été ralenti par l'impact durable de la COVID-19 sur l'organisation de la recherche, par une réorganisation structurelle au sein de l'ILM qui nous a privés d'environnement opérationnel (déménagement, perte de régulation thermique) pendant une longue période, et par la démission de chercheurs non permanents engagés sur ce projet suite à leur recrutement comme chercheurs permanents dans d'autres laboratoires. De ce fait, les ressources humaines ont été fragmentées et non adaptées à la durée prolongée du projet. Cette situation a affecté tous les aspects du projet. Malgré ces difficultés, nous avons obtenu des résultats importants qui font progresser la recherche dans le domaine des BPM.

Nous évaluons actuellement l'impact de l'étirement sur la mécanique cellulaire et ses conséquences sur les propriétés phononiques. Pour cette recherche, nous avons obtenu des financements supplémentaires pour une bourse doctorale (bourse ministérielle) et du matériel (MITI, large spectre du son). Le projet ANR nous a également permis d'établir de nouveaux partenariats en biologie végétale sur ces thématiques.

Concernant le contrôle des paramètres phononiques, nous avons identifié l'importance de l'adhésion. Bien que ce facteur nous ait initialement freinés, car il nous a fallu du temps pour en saisir pleinement l'influence, il constitue aujourd'hui le paramètre principal de notre stratégie de conception de matériaux phononiques biosourcés. Nous étudions actuellement la possibilité de moduler l'adhérence afin de concevoir des guides d'ondes et d'exploiter le repliement de bande. Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet ANR de suivi.

La préparation de l'ouvrage est en cours, donnant lieu à des échanges franco-allemands fructueux avec le pôle d'excellence « Matters of Activity » de l'Université Humboldt de Berlin, en vue de futures collaborations. Le lancement de la collection « Materials, Technology & Society Nexus » chez Word Scientific débouchera sur la publication, dans les prochaines années, d'un ouvrage sur « les matériaux et le temps » et d'un autre sur « les matériaux et l'intelligence ».

Au cours du projet, nous avons publié deux articles traitant de l'adhésion d’épidermes végétaux pour l’ingénierie de métasurfaces. D'autres publications exploitant l'anisotropie et la périodicité sont en cours de rédaction. Nous avons également organisé une conférence sur la bioconception et la bioéconomie des « matériaux à l'ère de l'Anthropocène », qui a réuni les principaux acteurs du domaine en physique, philosophie et économie. Un ouvrage collectif est en cours de rédaction sur ce sujet.