D31 Nanoindentation des cuticules

Topique

Les propriétés mécaniques de la cuticule des insectes varient tellement d'une région à l'autre qu'il est nécessaire de les mesurer à une échelle très locale, avec une résolution de l'ordre du micromètre. C'est pourquoi la nanoindentation est devenue la technique de référence pour caractériser mécaniquement la cuticule, point par point.

Cette nanoindentation est réalisée à l'aide d'un pénétrateur en diamant de géométrie très précise, sous la forme d'une pyramide à trois faces dite de Berkovich, dont le sommet forme un angle caractéristique d'un peu plus de soixante-cinq degrés avec l'axe central. Ce pénétrateur pénètre la cuticule sous une charge contrôlée avec une précision croissante, tandis qu'un capteur enregistre, avec une résolution de l'ordre du nanomètre, la profondeur exacte de pénétration à chaque instant. Toutes les informations mécaniques du test sont contenues dans la courbe reliant cette charge à cette profondeur.

À partir de cette courbe charge-profondeur, la méthode d'Oliver-Pharr permet d'extraire le module de Young et la dureté de la cuticule, en exploitant la rigidité initiale de l'indenteur lors du déchargement : au tout début du déchargement, seul un retour élastique du matériau se produit, ce qui permet d'isoler la réponse purement élastique de la cuticule de la déformation plastique imprimée de façon permanente sous l'indenteur.

Pour une extraction précise du module de Young, la fonction aire de l'indenteur doit être calibrée au préalable, car la pointe de l'indenteur ne conserve jamais une géométrie de Berkovich parfaite jusqu'à la fin. Ce calibrage est effectué en indentant un matériau de référence bien connu, un verre de silice fondue dont le module de Young est d'environ 72 gigapascals, ce qui permet de corriger tout écart entre la géométrie idéale de l'indenteur et sa forme réelle.

Une fois calibré de cette manière, le test de nanoindentation révèle l'ampleur des variations spatiales des propriétés mécaniques de la cuticule de l'insecte d'une région à l'autre : les régions articulaires, beaucoup plus souples, présentent un module de Young de seulement quelques mégapascals, tandis que les mandibules, beaucoup plus rigides, présentent un module de Young des milliers de fois supérieur, de l'ordre de plusieurs gigapascals – une différence si marquée que chaque type de région remplit une fonction mécanique totalement distincte au sein du corps de l'insecte, et cette fonction peut être cartographiée avec la même résolution micrométrique que celle utilisée pour réaliser chaque indentation individuelle.

Outre cette rigidité élastique, en maintenant la charge de l'indenteur constante pendant une période prolongée, la composante viscoélastique de la cuticule peut également être caractérisée, en observant à quel point l'indenteur continue de s'enfoncer même lorsque la charge n'augmente plus, un phénomène connu sous le nom de fluage : la cuticule hydratée présente un fluage beaucoup plus important que la cuticule sèche, ce qui signifie que la teneur en eau de la cuticule finit par être, avec l'architecture de la région indentée elle-même, l'un des facteurs qui déterminent le plus les propriétés mécaniques de la cuticule de l'insecte.

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