Les chromatophores artificiels des chercheurs sont constitués de membranes étirées sur des cavités circulaires fixées à des pompes pneumatiques. La mise sous pression de la cavité étire la membrane, changer le pas du cristal liquide en forme d'hélice à l'intérieur. Corréler la relation entre le diamètre, pression, pas et couleur, les chercheurs sont capables de traiter chaque cavité comme un pixel, changer sa couleur pour correspondre au motif environnant dans cette démonstration de leur étude récente. Crédit :Université de Pennsylvanie
Le règne animal regorge de créatures au camouflage actif. Ce qui ressemble à un tas de sable et de roches ternes pourrait en fait être un calmar aux couleurs vives, des structures en expansion et en contraction au sein de leur peau pour révéler des nuances de brun et de gris au lieu de bleu et de jaune éclatants. Connu sous le nom de chromatophores, ces cellules peuvent se dilater et se rétracter des plaques réfléchissantes internes en réponse à des stimuli externes, permettant à l'animal de s'adapter aux couleurs et aux motifs de son environnement, et disparaître en un instant.
Maintenant, des chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie s'inspirent de ce type de camouflage actif. En utilisant mince, des membranes souples constituées d'un réseau polymère de cristaux liquides disposés en forme d'hélice, ces chercheurs ont mis au point une sorte de chromatophore artificiel capable de changer de couleur instantanément, du proche infrarouge au visible en passant par l'ultraviolet, sur commande.
Ces membranes sont situées sur de minuscules cavités disposées en grille, dont chacun peut être gonflé pneumatiquement à une pression précise. Au fur et à mesure qu'une cavité se gonfle, la membrane est tendue, rétrécissant son épaisseur et changeant sa couleur apparente.
De manière critique, ces membranes n'ont pas besoin d'être étirées beaucoup pour obtenir cet effet. En exerçant une pression équivalente à un toucher doux, leur couleur peut être changée en n'importe quoi dans le spectre visible. Les matériaux à changement de couleur qui utilisent des mécanismes similaires ont historiquement dû être déformés de 75 % pour passer du rouge au bleu, les rendant impossibles à utiliser dans des décors à dimensions fixes, tels que des écrans ou des fenêtres.
Parce que les chromatophores artificiels des chercheurs ont besoin de moins de 20 % de déformation pour obtenir le même effet, ils peuvent être disposés comme des pixels dans un moniteur LCD. Et parce que les cristaux liquides en couches dans le système des chercheurs ont leur propre couleur réfléchissante, ils n'ont pas besoin d'être rétro-éclairés et n'ont donc pas besoin d'une source d'alimentation constante pour maintenir leur apparence intrinsèquement vibrante.
Avec chaque chromatophore artificiel agissant comme un pixel, le prototype des chercheurs est capable de faire correspondre la couleur et la texture environnantes pour obtenir un effet de camouflage. Crédit :Université de Pennsylvanie
Alors que les écrans prototypes des chercheurs n'ont que quelques dizaines de pixels chacun, une étude démontrant le principe de leur capacité de changement de couleur décrit leur potentiel dans une variété de techniques de camouflage, ainsi que des applications en architecture, robotique, capteurs et autres champs.
L'étude, publié dans la revue Matériaux naturels , était dirigé par Shu Yang, Joseph Bordogna Professeur et président du Département de science et génie des matériaux, et Se-Um Kim, puis chercheur postdoctoral dans son laboratoire. Young-Joo Lee, membre du laboratoire Yang, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim et Haihuan Wang ont également contribué à la recherche.
"Notre laboratoire s'est toujours intéressé à la couleur structurelle, y compris comment le changer en utilisant des forces mécaniques, " dit Yang. "Par exemple, nous avons précédemment démontré qu'un polymère à changement de couleur peut signaler des lésions cérébrales traumatiques chez les soldats et les athlètes. En regardant comment certains animaux ont évolué en couleur structurelle, nous avons réalisé qu'ils avaient des cellules extensibles qui fonctionnaient comme des pixels dans un écran et que nous pouvions potentiellement adopter une approche similaire."
Couleur structurelle, le phénomène qui donne aux ailes de papillon et aux plumes de paon une irisation souvent plus vive que les couleurs pigmentées ou à base de colorants, est produit lorsque la lumière interagit avec les caractéristiques microscopiques d'une surface. Dans le cas des écrans des chercheurs, ces caractéristiques se trouvent dans une classe de matériaux appelés « élastomères à cristaux liquides nématiques chiraux à chaîne principale » ou MCLCE. Les cristaux liquides sont des matériaux intrinsèquement anisotropes, ce qui signifie que leurs propriétés varient en fonction de leur orientation directionnelle. La forme hélicoïdale des MCLCE permet une grande anisotropie élastique, puisque le pas de l'hélice peut être facilement modifié.
Lorsqu'une cavité dans l'écran est gonflée, sa membrane MCLCE est tendue. Tout comme la compression d'un ressort, cela réduit le pas de l'hélice à cristaux liquides à l'intérieur de la membrane, changer la longueur d'onde de la lumière réfléchie par le spectateur.
Plusieurs pixels peuvent être connectés à la même pompe à air, permettant des affichages plus complexes. Crédit :Université de Pennsylvanie
En traçant la pression exacte requise pour obtenir chaque chromatophore artificiel à la couleur souhaitée, les chercheurs ont pu les programmer comme les pixels d'un écran. Ce niveau de contrôle est possible même sans pompes pneumatiques séparées pour chaque pixel.
"Je voulais générer du rouge, couleur verte et bleue simultanément dans une opération simple, " Kim dit, "J'ai donc connecté des cavités de largeurs différentes au même canal d'air. Cela signifie que, malgré la même pression, le degré de déformation et la couleur varient d'un pixel à l'autre, réduisant la complexité de l'ensemble de l'appareil."
En utilisant seulement deux canaux d'air, le prototype des chercheurs peut produire des motifs en damier 7 par 5 qui correspondent à l'ombrage et à la texture d'une surface environnante. Avec sept canaux, ils peuvent rendre des chiffres dans le style des affichages couleur à sept segments trouvés dans les horloges LCD
Les chercheurs pensent que les performances mécanochromes uniques des MCLCE inspireront la création de nouveaux dispositifs photoniques biomimétiques et de capteurs hautement sensibles et complexes malgré le mécanisme relativement simple du matériau. Ils prévoient également de poursuivre la démonstration d'affichages 3D, ainsi que des fenêtres "intelligentes" qui réagissent aux températures ambiantes en changeant de couleur.
