Pour survivre dans des habitats extrêmes, de nombreux animaux et plantes ont développé des capacités brillantes que nous ne connaissons autrement que des super-héros dans les films. Dans la plupart des cas, leurs capacités reposent sur les propriétés extraordinaires de leurs surfaces. L'imitation de ces propriétés offre un énorme potentiel dans le domaine de l'ingénierie pour développer de nouveaux produits et résoudre des problèmes techniques. Des équipes de recherche de Bochum et de Kiel ont réussi à imiter la couleur structurelle des célèbres papillons bleus Morpho en utilisant une technologie d'impression 3D de haute précision appelée polymérisation à deux photons (2PP). Les chercheurs présentent leurs dernières découvertes dans un article publié dans le Journal of Optical Microsystems le 2 septembre 2022.

L'étude dans le domaine de la biomimétique a été menée par des chercheurs des technologies laser appliquées de la Ruhr-Universität Bochum (RUB), dirigées par le professeur Andreas Ostendorf et le professeur Cemal Esen, et du groupe Morphologie fonctionnelle et biomécanique de l'Université de Kiel (CAU), dirigé par le professeur Stanislav Gorb.

Impression 3D d'arbres de Noël d'inspiration biologique

2PP est une technologie d'impression à base de laser qui permet le traitement de résines photosensibles dans les trois dimensions. Contrairement aux techniques d'impression conventionnelles, il est ainsi possible de créer des structures 3D complexes et vraies à l'aide de modèles informatiques virtuels sans avoir besoin de structures de support. De plus, le 2PP permet une haute résolution puisque des caractéristiques structurelles uniques peuvent mesurer une taille jusqu'à 100 nanomètres. Ce nombre correspond approximativement à un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain.

Les capacités d'impression 3D du 2PP ont permis aux chercheurs de produire des structures composées de manière hiérarchique à l'échelle du micro et du nanomètre. De cette façon, ils ont pu imiter la couleur structurelle des papillons Morpho bleus, y compris leurs extraordinaires propriétés optiques. La couleur des papillons est formée par de minuscules structures ressemblant à des arbres de Noël sur la surface supérieure de leurs ailes. De plus, des phénomènes physiques complexes entre la lumière et les arbres de Noël permettent d'observer la couleur bleue comme presque insensible à l'angle. "C'est très surprenant car normalement la couleur structurelle apparaît irisée comme un arc-en-ciel lorsqu'elle est générée par des phénomènes physiques similaires, comme la réfraction, par exemple", explique Gordon Zyla, chercheur au RUB.

Couleurs structurelles d'inspiration biologique pour les applications anti-contrefaçon

Dans leurs travaux actuels, publiés dans le Journal of Optical Microsystems , les chercheurs présentent une refonte réussie de leurs structures inspirées des papillons à partir de publications précédentes. Les refontes leur ont permis d'observer la couleur bleue résultante insensible à l'angle uniformément ou uniquement à partir de directions spécifiques. À cette fin, ils ont d'abord analysé les propriétés optiques et la morphologie de la surface de l'aile d'un papillon Morpho didius au CAU. Sur la base de leurs découvertes, ils ont déduit qu'ils peuvent contrôler la direction dans laquelle la couleur insensible à l'angle apparaît en modifiant la géométrie de leurs structures composées hiérarchiquement uniquement à l'échelle microscopique tout en imitant les structures du papillon à l'échelle nanométrique.

Les nouvelles conceptions proposées par les auteurs conviennent, par exemple, à la fabrication d'éléments anti-contrefaçon très complexes. Dans l'ensemble, leurs recherches démontrent le grand potentiel de la technologie 2PP pour son utilisation en biomimétique. Dans ce contexte, les auteurs supposent qu'une grande variété de structures fonctionnelles de la nature pourraient être imitées en utilisant le 2PP en combinaison avec de nouveaux matériaux photosensibles. Ainsi, d'autres superpuissances trouvées dans les organismes pourraient également être rendues accessibles pour différentes applications d'ingénierie. Il s'agit, par exemple, d'une adhérence et d'une résistance à l'usure améliorées sur diverses surfaces, de la superhydrophobicité, communément appelée effet lotus, ou d'autres colorations utilisées dans la nature comme signaux d'avertissement, camouflage ou communication intrasexuelle. + Explorer plus loin

Utiliser la morphologie papillon pour imprimer en 3D des nanostructures colorées