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Development of a High-Performance, Anti-Fouling Optical Diffuser Inspired by Morpho Butterfly's Nanostructure

 

Kazuma Yamashita, Kana Taniguchi, Takuma Hattori, Yuji Kuwahara, Akira Saito

 

First published: 26 July 2023

Advanced Optical Materials

 

The realization of high-performance, anti-fouling optical diffusers is crucial for various light applications. However, this remains a major challenge for conventional diffusers because of the optical inefficiency of multiple scattering and/or surface reliefs vulnerable to contamination. Inspired by the disordered nanostructure of Morpho butterflies that enables the simultaneous fulfillment of wide-angle diffraction, low color dispersion, and superhydrophobic self-cleaning ability due to the lotus effect, this study demonstrates a novel Morpho-type diffuser with high optical performance and anti-fouling properties. Surface nanopatterns of the diffuser are newly designed to realize homogeneous light diffusion, combined with the suitable material selection of polydimethylsiloxane (PDMS) to induce the lotus effect. Consequently, the following properties are simultaneously achieved: i) high transmittance ≈90%; ii) wide-angle diffusion (full width at half maximum ≈80°) with high spatial uniformity; iii) low dispersion; iv) high controllability of anisotropy; and v) anti-fouling properties. Moreover, vi) the applicability of surface protection is demonstrated by exploiting the high flexibility/adhesivity of PDMS. These capabilities surpass other diffusers, and therefore the presented diffuser is promising for a wide range of applications such as lighting, displays, daylight harvesting, optoelectronics, and medicine.

 

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NDÉ

En français

 

→ Insectes éclairants : la nanostructure du papillon Morpho inspire la technologie pour un éclairage lumineux et équilibré - Crumpe https://www.crumpe.com/2023/10/insectes-eclairants-la-nanostructure-du-papillon-morpho-inspire-la-technologie-pour-un-eclairage-lumineux-et-equilibre/

 

Une équipe de scientifiques a cherché à comprendre l'évolution du vol chez les papillons, comment un changement d'habitat affecte l'évolution du vol chez les papillons morpho.

 

• Adaptive evolution of flight in Morpho butterflies - Science, 25.11.2021 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2620

 

Traduction :

 

Voleurs stratégiques

 

Les forêts sont souvent encombrées et complexes, présentant des défis nombreux et variés pour les espèces qui y volent. Le Roy et al. se sont penchés sur le groupe de papillons Morpho d'Amazonie et ont constaté des différences tant morphologiques que comportementales entre les espèces qui occupent la canopée par rapport au sous-étage. Les espèces qui ont évolué pour occuper la canopée ont des capacités de glissement améliorées en raison d'une combinaison de la forme de l'aile et du comportement de vol. La combinaison de ces caractéristiques varie d'une espèce à l'autre, même au sein d'un même genre, ce qui suggère qu'il n'y a pas eu une seule voie qui a mené à la colonisation de cette partie de la forêt. -SNV

Résumé

 

La diversité des animaux volants suggère que d'innombrables combinaisons de morphologies et de comportements de vol ont évolué avec des modes de vie spécifiques, exploitant ainsi divers mécanismes aérodynamiques. La façon dont la morphologie, le comportement de vol et les propriétés aérodynamiques se diversifient ensemble avec une écologie contrastée reste à élucider. Nous avons étudié la codivergence adaptative de la forme des ailes, du comportement de vol et de l'efficacité aérodynamique chez les papillons Morpho vivant dans différentes strates forestières en combinant la vidéographie à haute vitesse sur le terrain avec des analyses morphométriques et la modélisation aérodynamique. En comparant les espèces de la canopée et du sous-étage, nous montrons que l'adaptation à un environnement de canopée ouverte entraîne une augmentation de l'efficacité du vol plané. De plus, cette efficacité accrue du vol plané a été obtenue par différentes espèces de la canopée grâce à des combinaisons distinctes de comportement de vol, de forme d'aile et de mécanismes aérodynamiques, mettant en évidence les multiples voies de l'évolution adaptative.

 

Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

 

[Image] via Adaptive evolution of flight in Morpho butterflies – Recherche Google
https://www.google.com/search?tbm=isch&q=Adaptive+evolution+of+flight+in+Morpho+butterflies#imgrc=A9Tb6FOFaiLgmM

 

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Un  article en français :

 

Que nous apprennent les papillons planeurs de la forêt amazonienne sur l’évolution du vol ? | CNRS, 26 novembre 2021
https://www.cnrs.fr/fr/que-nous-apprennent-les-papillons-planeurs-de-la-foret-amazonienne-sur-levolution-du-vol

 

Les papillons présentent une très grande variation de formes et de couleurs d’ailes ainsi que des comportements de vol très variables, en lien avec une diversité écologique exceptionnelle. Malgré le rôle probablement central que joue le vol dans l’évolution des papillons, les pressions de sélection influençant la diversité de leurs comportements de vol et de leurs morphologies restent largement méconnues.

 

Camille Le Roy, 17.12.2020

 

"Le vol est en effet un phénotype très complexe, impliquant l’intégration de nombreux traits comportementaux et morphologiques, qui évoluent sous l’effet de pressions de sélection parfois opposées. Le vol est de plus difficile à quantifier en conditions naturelles et écologiquement pertinentes, limitant l’établissement de liens directs avec la fitness.

 

Dans cette thèse, j’ai d’abord réalisé une revue de la littérature qui examine comment la biologie évolutive et l’aérodynamique peuvent être combinées pour mieux identifier les processus sélectifs affectant la forme des ailes et le comportement de vol chez les papillons. En focalisant mes recherches sur le genre Morpho, j’ai ensuite combiné études évolutives de terrain et approches biomécaniques pour caractériser l’évolution des formes, des couleurs et du comportement de vol dans ce groupe de papillons iconique, pourtant encore peu étudié. Dans une étude expérimentale, j’ai testé l’effet sur le vol des variations de formes d’ailes liées à leur dégradation naturelle.

 

Ce travail a montré comment le comportement de vol peut être ajusté suite à l’altération de la forme des ailes, et a permis d’identifier les zones des ailes subissant des contraintes aérodynamiques particulièrement fortes. J’ai ensuite analysé le rôle de la spécialisation dans des micro-habitats contrastés sur les comportements de vol plané et ascendant. J’ai ainsi démontré que cette spécialisation a résulté en une divergence adaptative du comportement de vol et des formes d’ailes, opposant un vol plané efficace chez les espèces vivant en canopée, et un vol battu puissant chez les espèces vivant dans les sous-bois.

 

J’ai également étudié l’influence du micro-habitat sur l’évolution des performances de vol d’échappement ascendant, et montré que les individus des espèces de canopée sont plus efficaces lors de ce vol d’échappement, notamment du fait d’une cinématique de battements d’ailes et d’une morphologie différentes.

 

Finalement, j’ai étudié les mécanismes permettant la coexistence entre espèces de Morpho fortement apparentées et phénotypiquement similaires vivant dans un même micro-habitat. En quantifiant l’activité de patrouille, les comportements de vol d’interactions mâle-mâle et mâle-femelle en conditions naturelles, j’ai montré que la similitude du signal coloré émis lors du vol de patrouille favorise l’émergence de la territorialité interspécifique et d’une ségrégation temporelle entre espèces.

 

Dans son ensemble, mon travail nous renseigne sur les diverses pressions de sélection influençant l’évolution du comportement de vol et de la morphologie des papillons Morpho, et nous éclaire plus généralement sur les mécanismes impliqués dans la diversification des animaux volants."

 

• Evolution des comportements de vol et diversification en sympatrie : - YouTube, 21.12.2020 https://www.youtube.com/watch?v=5jEQXtl505M

 

[via] ISYEB sur Twitter, 16.12.2020 https://twitter.com/ISYEB_UMR/status/1339116607801593859

 

"jeudi 17 décembre, Camille Le Roy doctorant @ISYEB_UMR soutiendra sa thèse intitulée "Evolution des comportements de vol et diversification en sympatrie : les papillons Morpho comme cas d’étude" ; la soutenance sera enregistrée et accessible en ligne"

 

RÉCIT - Cette espèce a su modifier son comportement et la forme de ses ailes pour peupler de nouveaux habitats.

 

 

"Connus pour leur couleur bleue aux reflets irisés, les papillons morphos d’Amazonie peuvent mesurer jusqu’à 20 cm d’envergure. Si certains virevoltent dans les denses sous-bois de la forêt tropicale, d’autres ont depuis bien longtemps peuplé la canopée, volant parfois à des dizaines de mètres de haut.

«Souvent, on ne voit d’ailleurs que leur ombre, à la manière des oiseaux», note Vincent Debat, maître de conférences au Museum national d’histoire naturelle. Mais comment se sont-ils adaptés à cette stratification verticale de l’habitat au fil des millénaires?

Une bien meilleure efficacité

Des scientifiques de l’Institut de systématique, évolution, biodiversité (laboratoire commun du CNRS, du Muséum national d’histoire naturelle, du CNRS, de Sorbonne Université, de l’École pratique des hautes études et de l’université des Antilles) ont cherché à comprendre l’évolution du vol et de la morphologie des ailes chez ces célèbres lépidoptères.

 

Leur étude, publiée récemment dans la revue Science, les a menés dans la localité de Tarapoto, (...)"

 

• Adaptive evolution of flight in Morpho butterflies - Science, 25.11.2021 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2620

 

[Image] via Évolution adaptative du vol chez les papillons Morpho | L’Institut de Systématique, Évolution, Biodiversité
https://isyeb.mnhn.fr/fr/actualites/evolution-adaptative-du-vol-chez-les-papillons-morpho-7849

 

Les chercheurs rapportent la création d’une caméra, dont la vision s’inspire du papillon morpho. Cette caméra peut détecter facilement et rapidement les colorants en lumière infrarouge sur les tissus cancéreux afin que le chirurgien puisse les détecter. La caméra peut être intégrée aux lunettes du chirurgien et son cout est abordable aux alentours de 200 dollars.

 

• ButterflyCam.mpeg | Avec la technologie Box
  https://uofi.app.box.com/v/butterflycamvideo