Les plumes d'un paon sont pigmentées de brun mais un réseau à l'échelle nanométrique réfléchit la lumière pour imprégner les plumes de couleurs vibrantes. Crédit :WikiCommons
Les plumes bleu sarcelle et brillantes d'un paon ne sont pas le résultat de pigments mais plutôt de réseaux à l'échelle nanométrique qui reflètent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière. Cette coloration dite structurelle intéresse depuis longtemps chercheurs et ingénieurs en raison de sa durabilité et de son potentiel d'application dans les panneaux solaires, tissus biomimétiques et camouflage adaptatif. Mais les techniques d'aujourd'hui pour intégrer la couleur structurelle dans les matériaux sont longues et coûteuses.
Maintenant, chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec l'Université des sciences et technologies King Abdullah, ont développé un nouveau, système plus robuste et rentable pour construire des métamatériaux à grande échelle avec une couleur structurelle. La recherche est décrite dans la revue Lumière de la nature :science et applications .
La plume d'un paon ou l'aile d'un papillon reposent sur des cristaux photoniques ou des réseaux hautement ordonnés de nanofibres pour produire des couleurs. La reproduction de ces structures en laboratoire nécessite une fabrication précise et coûteuse. Les chercheurs de SEAS se sont inspirés d'un type de plume très différent.
Les Contingas sont l'une des familles d'oiseaux les plus flamboyantes de la planète. Dans une mer de verdure amazonienne, leurs plumes éclatent de blues électrique, oranges vifs et violets éclatants.
Contrairement au réseau ordonné de nanostructures d'un paon, Les contingas tirent leurs teintes vibrantes d'un nanoréseau désordonné et poreux de kératine qui ressemble à une éponge ou à un morceau de corail. Quand la lumière frappe la plume, le motif de kératine poreuse provoque l'annulation des longueurs d'onde rouges et jaunes, tandis que les longueurs d'onde bleues de la lumière s'amplifient les unes les autres.
Un Continga à gorge prune (Cotinga maynana) tire ses couleurs vibrantes d'un réseau nanométrique de kératine. Crédit :Flickr
"D'habitude, nous associons l'idée de désordre à l'idée que quelque chose est incontrôlable, " a déclaré Federico Capasso, Robert L. Wallace professeur de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article. "Ici, le désordre peut être mis à notre avantage et utilisé comme paramètre de conception pour créer une nouvelle classe de métamatériaux avec un large éventail de fonctionnalités et d'applications"
Inspiré de la plume de cotinga, les chercheurs ont utilisé un processus de gravure simple pour créer un nanoréseau poreux complexe mais aléatoire dans un alliage métallique. La structure a ensuite été revêtue d'une couche d'alumine transparente ultra-mince.
Vous pensez peut-être, quels types de couleurs un alliage métallique peut-il produire autres que le gris ? Comme il s'avère, beaucoup. Depuis le 19e siècle, le scientifique anglais Michael Faraday, les scientifiques savent que les métaux contiennent une pléthore de couleurs, mais la lumière ne pénètre pas assez profondément pour les révéler. Une particule d'or, par exemple, selon sa taille et sa forme, peut être rouge, rose ou même bleu.
Une illustration du nanomatériau avec revêtement en alumine, sur la base d'une reconstruction en trois dimensions (3D). Crédit :Henning Galinski
La nanostructure poreuse crée des points chauds localisés de différentes couleurs dans l'alliage. La couleur reflétée par les états localisés dépend de l'épaisseur du revêtement transparent.
Sans surcouche d'alumine, le matériau semble sombre. Avec un revêtement de 33 nanomètres d'épaisseur, le matériau réfléchit la lumière bleue. A 45 nanomètres, le matériau devient rouge et avec un revêtement de 53 nanomètres d'épaisseur, la matière est jaune. En changeant l'épaisseur du revêtement, les chercheurs pourraient créer un dégradé de couleurs.
"Cette situation équivaut à un matériau avec un nombre extrêmement important de sources lumineuses microscopiques et colorées, " a déclaré Andrea Fratalocchi, auteur correspondant de l'article et professeur de génie électrique; Mathématiques appliquées et sciences informatiques à l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah. "La présence d'une fine couche d'oxyde permet de contrôler l'intensité de ces sources, les allumer et éteindre collectivement en fonction de l'épaisseur de la couche d'oxyde. Cette recherche montre comment des matériaux désordonnés peuvent être transformés en une technologie extrêmement puissante, qui peut permettre des applications à grande échelle qui seraient impossibles avec les médias conventionnels."
Une illustration de l'interaction lumière-matière avec l'échantillon avec différentes épaisseurs de revêtement d'alumine. Crédit :Henning Galinski
La métasurface est extrêmement légère et résistante aux rayures et pourrait être utilisée dans des applications commerciales à grande échelle telles que des revêtements légers pour le secteur automobile, tissus biomimétiques et camouflage
« C'est une toute nouvelle façon de contrôler les réponses optiques dans les métamatériaux, " a déclaré Henning Galinski, co-premier auteur de l'article et ancien post-doctorant dans le groupe Capasso. « Nous avons maintenant un moyen de concevoir des métamatériaux dans de très petites régions, qui étaient auparavant trop petits pour la lithographie conventionnelle. Ce système ouvre la voie à des métamatériaux à grande échelle et extrêmement robustes qui interagissent avec la lumière de manière vraiment intéressante. »
