Les surfaces de verre avec des nanotextures gravées reflètent si peu de lumière qu'elles deviennent pratiquement invisibles. Cet effet est visible dans l'image ci-dessus, qui compare l'éblouissement d'un morceau de verre conventionnel (à droite) à celui d'un verre nanotexturé (à gauche), qui ne montre aucun éblouissement. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Si vous avez déjà regardé la télévision dans autre chose que l'obscurité totale, utilisé un ordinateur en étant assis sous un éclairage zénithal ou près d'une fenêtre, ou pris une photo à l'extérieur par une journée ensoleillée avec votre smartphone, vous avez subi une nuisance majeure des écrans d'affichage modernes :l'éblouissement. La plupart des appareils électroniques d'aujourd'hui sont équipés de couvercles en verre ou en plastique pour la protection contre la poussière, humidité, et d'autres contaminants environnementaux, mais la réflexion de la lumière sur ces surfaces peut rendre les informations affichées sur les écrans difficiles à voir.
Maintenant, des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation utilisateur du département de l'énergie du bureau des sciences des États-Unis au Brookhaven National Laboratory - ont démontré une méthode pour réduire les réflexions de surface des surfaces de verre à près de zéro en y gravant de minuscules caractéristiques à l'échelle nanométrique.
Chaque fois que la lumière rencontre un changement brusque d'indice de réfraction (combien un rayon de lumière se courbe lorsqu'il passe d'un matériau à un autre, comme entre l'air et le verre), une partie de la lumière est réfléchie. Les caractéristiques nanométriques ont pour effet de faire passer progressivement l'indice de réfraction de celui de l'air à celui du verre, évitant ainsi les reflets. Le verre nanotexturé ultra-transparent est antireflet sur une large gamme de longueurs d'onde (tout le spectre visible et proche infrarouge) et sur une large gamme d'angles de vision. Les reflets sont tellement réduits que le verre devient pratiquement invisible.
Ce "verre invisible" pourrait faire plus qu'améliorer l'expérience utilisateur pour les écrans électroniques grand public. Il pourrait améliorer l'efficacité de conversion d'énergie des cellules solaires en minimisant la quantité de lumière solaire perdue par réflexion. Il pourrait également être une alternative prometteuse aux revêtements antireflet sujets aux dommages classiquement utilisés dans les lasers qui émettent de puissantes impulsions lumineuses, tels que ceux appliqués à la fabrication de dispositifs médicaux et de composants aérospatiaux.
« Nous sommes enthousiasmés par les possibilités, " a déclaré le directeur du CFN, Charles Black, auteur correspondant sur l'article publié en ligne le 30 octobre dans Lettres de physique appliquée . "Non seulement les performances de ces matériaux nanostructurés sont extrêmement élevées, mais nous mettons également en œuvre des idées issues de la nanoscience d'une manière qui, selon nous, est propice à la fabrication à grande échelle. »
Andreas Liapis, ancien post-doctorant du Brookhaven Lab, maintenant chercheur au Wellman Center for Photomedicine du Massachusetts General Hospital, et Atikur Rahman, professeur adjoint au Département de physique de l'Institut indien d'enseignement et de recherche scientifiques, Pune, sont co-auteurs.
Cette image en coupe transversale d'un microscope électronique à balayage montre une surface de verre texturée avec des cônes de 170 nanomètres de haut. Les cônes sont entassés très près les uns des autres, seulement 52 nanomètres l'un de l'autre. Un morceau de verre de deux pouces a 900 milliards de cônes à sa surface. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour texturer les surfaces de verre à l'échelle nanométrique, les scientifiques ont utilisé une approche appelée auto-assemblage, qui est la capacité de certains matériaux à former spontanément des arrangements ordonnés par eux-mêmes. Dans ce cas, l'auto-assemblage d'un matériau de copolymère séquencé a fourni un modèle pour graver la surface du verre dans une "forêt" de structures en forme de cône à l'échelle nanométrique avec des pointes acérées - une géométrie qui élimine presque complètement les réflexions de surface. Les copolymères à blocs sont des polymères industriels (chaînes de molécules répétitives) que l'on retrouve dans de nombreux produits, y compris les semelles de chaussures, ruban adhésif, et les intérieurs automobiles.
Des collègues de Black et du CFN ont déjà utilisé une technique de nanotexturation similaire pour conférer du silicium, un verre, et certaines matières plastiques aux propriétés hydrofuges, autonettoyantes et antibuée, et aussi pour rendre les cellules solaires en silicium antireflet. Les nanotextures de surface imitent celles trouvées dans la nature, tels que les minuscules poteaux de piégeage de la lumière qui assombrissent les yeux des mites pour aider les insectes à éviter la détection par les prédateurs et les cônes cireux qui gardent les ailes des cigales propres.
"Cette technique simple peut être utilisée pour nanotexturer presque n'importe quel matériau avec un contrôle précis de la taille et de la forme des nanostructures, " a déclaré Rahman. " La meilleure chose est que vous n'avez pas besoin d'une couche de revêtement séparée pour réduire l'éblouissement, et les surfaces nanotexturées surpassent n'importe quel matériau de revêtement disponible aujourd'hui."
"Nous avons éliminé les reflets des vitres non pas en recouvrant le verre de couches de différents matériaux mais en modifiant la géométrie de la surface à l'échelle nanométrique, " ajouta Liapis. " Parce que notre structure finale est entièrement composée de verre, il est plus durable que les revêtements antireflet conventionnels."
Pour quantifier les performances des surfaces de verre nanotexturées, les scientifiques ont mesuré la quantité de lumière transmise et réfléchie par les surfaces. En bon accord avec leurs propres simulations de modèles, les mesures expérimentales de surfaces avec des nanotextures de différentes hauteurs montrent que des cônes plus hauts réfléchissent moins de lumière. Par exemple, les surfaces de verre recouvertes de nanotextures de 300 nanomètres de hauteur réfléchissent moins de 0,2 pour cent de la lumière rouge entrante (longueur d'onde de 633 nanomètres). Même à la longueur d'onde du proche infrarouge de 2500 nanomètres et à des angles de vision allant jusqu'à 70 degrés, la quantité de lumière passant à travers les surfaces nanostructurées reste élevée - au-dessus de 95 et 90 pour cent, respectivement.
Dans une autre expérience, ils ont comparé les performances d'une cellule solaire au silicium commerciale sans couvercle, avec un couvercle en verre conventionnel, et avec un couvercle en verre nanotexturé. La cellule solaire avec le couvercle en verre nanotexturé a généré la même quantité de courant électrique que celle sans couvercle. Ils ont également exposé leur verre nanotexturé à de courtes impulsions laser pour déterminer l'intensité à laquelle la lumière laser commence à endommager le matériau. Leurs mesures révèlent que le verre peut supporter trois fois plus d'énergie optique par unité de surface que les revêtements antireflet disponibles dans le commerce qui fonctionnent sur une large plage de longueurs d'onde.
« Notre rôle au CFN est de démontrer comment les nanosciences peuvent faciliter la conception de nouveaux matériaux aux propriétés améliorées, ", a déclaré Black. "Ce travail en est un excellent exemple - nous aimerions trouver un partenaire pour aider à faire progresser ces matériaux remarquables vers la technologie."
