Les parois cellulaires des végétaux révélées par imagerie hyperspectrale en champ proche optique

Résultat scientifique Micro et nanotechnologies

La composition des parois cellulaires végétales, ainsi que leur organisation, définissent les propriétés structurales, mécaniques et optiques des plantes. L’accès à ces propriétés, à l’échelle nanométrique, intéresse l’ingénierie des végétaux utilisés comme biomatériaux. Au sein d’une collaboration internationale, des scientifiques de l’Institut Fresnel ont montré l’apport de l’imagerie hyperspectrale en champ proche optique pour mesurer et corréler les propriétés chimiques et physiques des couches des parois d’un échantillon de peuplier avec une résolution de seulement vingt nanomètres.

Ressources naturelles, écologiques et renouvelables, les matières végétales sont largement exploitées dans la construction, l’industrie du papier, en tant que biocarburants ou comme base pour des bioplastiques. Ces usages impliquent souvent des traitements visant à modifier les propriétés chimiques et physiques des parois cellulaires végétales, composées d’un assemblage de polymères de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. L’optimisation de ces traitements nécessite d’avoir accès à ces propriétés à l’échelle nanométrique. Grâce à la microscopie optique en champ proche (s-SNOM) de la société allemande Neaspec, des chercheurs et chercheuses de l’Institut Fresnel (CNRS/Aix Marseille Université/École centrale Marseille), du Centre interdisciplinaire de nanoscience de Marseille (CINaM, CNRS/Aix Marseille Université) et du laboratoire national d’Oak Ridge (États-Unis) sont parvenus à imager la paroi cellulaire d’un peuplier avec une résolution spatiale inférieure à 20 nanomètres. L’équipe a ainsi pu corréler les propriétés structurales, mécaniques et optiques de la paroi pour étudier un procédé de délignification, utilisé pour la fabrication de papier, de bioplastiques et dans l’extraction de biocarburants. Ces résultats sont publiés dans la revue Communication Materials.

En effet, à l’aide d’une pointe comprise entre 8 et 20 nanomètres de rayon, l’imagerie hyperspectrale en microscopie optique en champ proche accède simultanément à l’absorption et la réflectivité, et permet ainsi de reconstruire spatialement et spectralement la distribution chimique des différents constituants du bois et leurs constantes diélectriques optiques (n et k) à l’échelle nanométrique. Le consortium a pu montrer, pour la première fois, comment les variations chimiques au niveau de la paroi se reflètent dans la variabilité de n et k à l’échelle nanométrique. En outre, le s-SNOM permet également d’évaluer d’autres propriétés mécaniques locales telles que la viscoélasticité. Ces résultats peuvent être appliqués à tous types de matières végétales ou biomatériaux et ouvrent la voie vers le développement de nouveaux (méta-)matériaux d’origine végétale.

Nanométrologie de la paroi cellulaire de pousses de peuplier dans leur première année de croissance. La microscopie optique en champ proche met en évidence les propriétés optiques locales des parois, ainsi que leur distribution chimique in situ.
Nanométrologie de la paroi cellulaire de pousses de peuplier dans leur première année de croissance. La microscopie optique en champ proche met en évidence les propriétés optiques locales des parois, ainsi que leur distribution chimique in situ. 

Références
In-situ plant material hyperspectral imaging: determination of chemistry and optical properties using multimodal scattering nearfield optical microscopy.
A. Charrier, A. Normand, A. Passian, P. Schaefer and A. L. Lereu.

Communication Material, 2021.
https://doi.org/10.1038/s43246-021-00166-7
Article disponible sur la base d’archives ouvertes HAL.

Contact

Aude Lereu
Chargée de recherche CNRS, Institut Fresnel (CNRS/AMU/École Centrale Marseille)
Communication INSIS