Imaginez étirer un morceau de film pour révéler un message caché. Ou vérifier la couleur d'un brassard pour évaluer la masse musculaire. Ou porter un maillot de bain qui change de teinte au fur et à mesure que vous faites des tours. De tels matériaux de type caméléon et aux couleurs changeantes pourraient être à l'horizon, grâce à une technique photographique qui a été ressuscitée et réutilisée par les ingénieurs du MIT.

En appliquant une technique de photographie couleur du XIXe siècle à des matériaux holographiques modernes, une équipe du MIT a imprimé des images à grande échelle sur des matériaux élastiques qui, lorsqu'ils sont étirés, peuvent transformer leur couleur, reflétant différentes longueurs d'onde lorsque le matériau est tendu.

Les chercheurs ont produit des films extensibles imprimés avec des bouquets de fleurs détaillés qui se transforment de teintes chaudes en nuances plus froides lorsque les films sont étirés. Ils ont également imprimé des films qui révèlent l'empreinte d'objets tels qu'une fraise, une pièce de monnaie et une empreinte digitale.

Les résultats de l'équipe fournissent la première technique de fabrication évolutive pour produire des matériaux détaillés à grande échelle avec une "couleur structurelle", une couleur qui résulte de la structure microscopique d'un matériau, plutôt que d'additifs chimiques ou de colorants.

"La mise à l'échelle de ces matériaux n'est pas anodine, car vous devez contrôler ces structures à l'échelle nanométrique", explique Benjamin Miller, étudiant diplômé du département de génie mécanique du MIT. "Maintenant que nous avons franchi cet obstacle de mise à l'échelle, nous pouvons explorer des questions telles que :pouvons-nous utiliser ce matériau pour créer une peau robotique qui a un sens du toucher humain ? Et pouvons-nous créer des dispositifs de détection tactile pour des choses comme la réalité augmentée virtuelle ou une formation médicale ? C'est un grand espace que nous envisageons maintenant."

Les résultats de l'équipe apparaissent aujourd'hui dans Nature Materials . Les co-auteurs de Miller sont Helen Liu, étudiante de premier cycle au MIT, et Mathias Kolle, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.

Hologramme fortuit

Le groupe de Kolle développe des matériaux optiques inspirés de la nature. Les chercheurs ont étudié les propriétés de réflexion de la lumière dans les coquilles de mollusques, les ailes de papillon et d'autres organismes irisés, qui semblent miroiter et changer de couleur en raison des structures de surface microscopiques. Ces structures sont inclinées et superposées pour refléter la lumière comme des miroirs colorés miniatures, ou ce que les ingénieurs appellent des réflecteurs de Bragg.

Des groupes, dont celui de Kolle, ont cherché à reproduire cette couleur naturelle et structurelle dans des matériaux en utilisant diverses techniques. Certains efforts ont produit de petits échantillons avec des structures nanométriques précises, tandis que d'autres ont généré des échantillons plus grands, mais avec moins de précision optique.

Comme l'écrit l'équipe, "une approche qui offre à la fois [contrôle et évolutivité à l'échelle microscopique] reste insaisissable, malgré plusieurs applications potentielles à fort impact."

Alors qu'il se demandait comment résoudre ce problème, Miller visita par hasard le musée du MIT, où un conservateur lui parla d'une exposition sur l'holographie, une technique qui produit des images tridimensionnelles en superposant deux faisceaux lumineux sur un matériau physique.

"J'ai réalisé que ce qu'ils font en holographie est un peu la même chose que la nature fait avec la couleur structurelle", déclare Miller.

Cette visite l'a incité à se renseigner sur l'holographie et son histoire, ce qui l'a ramené à la fin des années 1800, et à la photographie Lippmann - une des premières techniques de photographie en couleur inventée par le physicien franco-luxembourgeois Gabriel Lippmann, qui a ensuite remporté le prix Nobel de physique pour le technique.

Lippmann a créé des photos couleur en plaçant d'abord un miroir derrière une émulsion très fine et transparente, un matériau qu'il a concocté à partir de minuscules grains sensibles à la lumière. Il a exposé la configuration à un faisceau de lumière, que le miroir a renvoyé à travers l'émulsion. L'interférence des ondes lumineuses entrantes et sortantes a stimulé les grains de l'émulsion à reconfigurer leur position, comme de nombreux miroirs minuscules, et à refléter le motif et la longueur d'onde de la lumière d'exposition.

En utilisant cette technique, Lippmann a projeté des images structurellement colorées de fleurs et d'autres scènes sur ses émulsions, bien que le processus ait été laborieux. It involved hand-crafting the emulsions and waiting for days for the material to be sufficiently exposed to light. Because of these limitations, the technique largely faded into history.

A modern twist

Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.

"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.

In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.

As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.

They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.

The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.

Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.

Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.

"You could encode messages in this way," Kolle says.

Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.

Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.

"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."

Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Explorer plus loin

De quelle couleur est un miroir ? Expliquer les miroirs et leur fonctionnement.