ERC Consolidator 3D-BioMat (Chamard)

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Virginie Chamard est responsable de l’équipe COMiX. Son projet « 3D-BioMat : Ce que nous révèle la structure des biominéraux » propose d’avancer dans la compréhension des processus de biominéralisation grâce au développement d’une nouvelle microscopie aux rayons X, en collaboration avec l’Ifremer (Polynésie Française) et le NIMBE (CNRS/CEA, Saclay).

La microscopie cristalline, c’est-à-dire la capacité à imager les propriétés fines des cristaux, est une approche incontournable dans de nombreuses problématiques scientifiques telles que l’amélioration des performances électriques des métaux, le contrôle des propriétés optiques des semi-conducteurs ou encore la compréhension de la croissance des coquillages. Les rayons X permettent de sonder l’intérieur d’un cristal, mais produire une image 3D, résolue à l’échelle nanométrique et porteuse d’une information quantitative (par exemple les déformations cristallines) reste extrêmement difficile, en raison de l’inefficacité des lentilles pour ces longueurs d’onde. La nouvelle approche développée par Virginie Chamard, appelée ptychographie de Bragg, permet de dépasser cette limite en remplaçant les lentilles par des algorithmes de restitutions de phase. Cette microscopie, qui utilise le rayonnement X d’une source synchrotron, ouvre la voie à une exploration inédite des matériaux cristallins. Le projet 3D-BioMat s’appuie sur cette nouvelle microscopie pour progresser dans la compréhension de la biominéralisation.
Chez les organismes vivants, les processus de biominéralisation régulent la croissance des tissus minéralisés, tels que les dents, les os, les coquilles… Les perspectives fascinantes qu’ouvrent leurs compréhensions en sciences des matériaux, paléoclimatologie et sciences de l’environnement attirent nombre de chercheurs. L’exemple du carbonate de calcium en est l’un des plus frappants : alors qu’il est évident que les théories issues de la cristallisation classique ne peuvent expliquer la formation des structures biominérales calcaires extrêmement complexes, telles que celles observées chez l’oursin ou l’huitre perlière par exemple, la formation de ce constituant majeur de la croute terrestre est encore largement incomprise.

Figure 1 :
Rôle de l’échelle mésométrique dans la compréhension des processus de biominéralisation

Le point de départ de 3DBioMat est l’observation quasi-systématique d’une structure caractéristique : un assemblage granulaire à l’échelle mésométrique (entre 10 et 1000 nanomètres), commun à quasiment tous les organismes calcifiants (Figure 1). Cette structure systématique témoigne d’un processus de biominéralisation générique. L’élaboration d’un scénario réaliste de biominéralisation nécessite de comprendre les liens structuraux entre les « briques unitaires » granulaires, ce que la ptychographie de Bragg peut réussir. En effet, grâce à la nouvelle approche de microscopie X en synchrotron, il a été possible de révéler les détails tridimensionnels de l’organisation méso-cristalline des prismes de calcite, les unités minérales constituant la coquille de l’huître perlière (figure 1). Bien que ces prismes soient habituellement décrits comme des mono-cristaux « parfaits », il a été possible de mettre en évidence l’existence de grands domaines cristallins d’iso-orientations et d’iso-déformations, légèrement différents les uns des autres (figure 2). Ces résultats entièrement originaux plaident en faveur de chemins de cristallisation non classiques, comme la fusion partielle d’un ensemble de nanoparticules primaires ou l’existence de précurseurs de type liquides.
3D BioMat a pour mission de parfaire la description du biomineral afin de proposer un modèle de biominéralisation. La confrontation structurale entre le modèle naturel et sa réplique synthétique sera permise grâce au partenariat avec l’Ifremer (Polynésie française) et le NIMBE-CNRS (CEA Saclay). Au delà de résoudre une question des plus intrigantes des sciences des matériaux, le projet 3D-BioMat est susceptible à moyen terme de contribuer à un renouveau des modèles climatiques, proposer de nouvelles voies pour la synthèse des matériaux, et fournir des réponses aux problèmes de calcification rencontrés en perliculture.

Figure 2 :
Image tridimensionnelle des propriétés cristallines d’un prisme cristallin constituant la coquille d’une huitre perlière. (A) L’huitre perlière et (B) sa structure prismatique en bord de coquille. (C) La zone sondée (en jaune) à l’intérieur d’un prisme. Mise en évidence de domaines de rotations (D) et déformations (E) à l’intérieur du biominéral « mono-cristallin », Adaptée de F. Mastropietro et al., Nature Materials (2017)

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Biography :
Virginie Chamard is a physicist working at CNRS since 2003. She is exploiting the properties of coherent x-rays for investigating the structure of materials, both with dynamics and statics approaches.
These past years, she has focused her research activity on the development of a new crystalline microscopy, called Bragg ptychography. After the demonstration and the optimisation of the method, now available at several synchrotron beamlines all over the world, she uses this microscopy to investigate complex crystalline systems. With her group at Institut Fresnel in Marseille, she keeps on developing new x-ray and optical approaches for the study of crystalline materials. Her research program has recently been awarded by the ERC, with the aim to explore the newly accessible structural features of materials to progress in the understanding of the biomineralization.



Contact : virginie.chamard chez fresnel.fr