Généralement, quand on pense à la couleur, on pense aux pigments et aux colorants. Crédit :Shutterstock
Certaines des créatures les plus colorées du règne animal ne doivent pas leurs couleurs étonnantes aux pigments. Au lieu, ils se couvrent de structures microscopiques qui affinent la façon dont ils réfléchissent la lumière.
Maintenant, ces animaux inspirent une nouvelle génération de nanotechnologies.
Comprendre pourquoi ces structures se produisent dans la nature, et comment nous pouvons apprendre à les utiliser, a inspiré la BioInspiration Hallmark Research Initiative de l'Université de Melbourne; un projet qui prend les principes qui sous-tendent les systèmes biologiques et les applique de manière créative à la technologie et à la conception.
Des coléoptères à la toute nouvelle technologie
Professeur Devi Stuart-Fox, chercheur à la School of BioSciences de l'Université de Melbourne, se penche actuellement sur le monde de la couleur dans le règne animal.
« Puis-je vous donner un exemple ? » elle demande, pointant du doigt une collection de coléoptères à carapace brillante sur la table devant elle.
"Nous avons beaucoup de coléoptères qui sont si brillants et métalliques qu'ils ressemblent presque à des miroirs et la question est" pourquoi ? ""
Au sein de l'Initiative BioInspiration, Le professeur Stuart-Fox collabore avec le professeur Ann Roberts, de l'École de physique de l'Université, qui travaille sur la fabrication de couleurs structurelles pour des applications technologiques telles que des écrans plus compacts et des caméras à plus haute résolution.
Aspects de la couleur
"Quand vous pensez aux objets colorés, généralement, vous pensez aux couleurs à base de pigments ou de colorants, " explique le professeur Roberts.
"Dans ces matériaux, les différentes longueurs d'onde seront sélectivement absorbées et les autres seront réfléchies, et c'est ce que nous percevons comme étant coloré."
La couleur structurelle permet des effets comme l'irisation. Crédit :Shutterstock
La couleur structurelle est plus nuancée.
En recouvrant un matériau de réseaux de nanostructures, il est possible d'ajuster la surface d'un matériau à des longueurs d'onde de lumière spécifiques.
En adaptant la taille et la forme de ces structures, les scientifiques peuvent modifier les parties du spectre visible avec lesquelles une surface interagit.
Ils peuvent régler avec précision quelles longueurs d'onde sont réfléchies, créer des couleurs ultra-pures, ainsi que les longueurs d'onde transmises, rendre la surface transparente pour sélectionner les couleurs ou les polarisations de la lumière.
Un nouveau monde de couleurs
Par rapport aux pigments, les couleurs structurelles ouvrent un monde de possibilités.
"Il y a tous ces effets optiques que vous obtenez avec la couleur structurelle que vous n'obtenez pas avec les couleurs à base de pigments, " explique le professeur Stuart-Fox.
La couleur structurelle permet des effets comme l'irisation, où une surface change de couleur en fonction de l'angle de vue.
Vous pouvez le voir sur le plumage des colibris. Ce même effet est responsable des reflets arc-en-ciel que vous voyez au bas des CD et des DVD, et la peinture nacrée aux couleurs changeantes sur les voitures.
Le dilemme de la complexité
Le casse-tête pour les biologistes comme le professeur Stuart-Fox est de comprendre pourquoi les animaux utilisent une coloration si complexe. Avec quelques coléoptères, la structure de leur coque crée un effet miroir.
Les physiciens cherchent des moyens d'exploiter les effets structurels pour des applications technologiques. Crédit :Shutterstock
"Une idée est qu'ils sont si brillants qu'ils reflètent la végétation environnante, donc c'est camouflé. Même s'ils ont l'air de se démarquer comme un pouce endolori, ça marche vraiment vraiment, " elle dit.
"L'explication alternative est que les oiseaux et autres animaux peuvent facilement repérer ces objets brillants, mais ils les évitent — ils pensent que « ce n'est pas de la nourriture ». Mais aucune de ces idées n'a été testée."
Le professeur Stuart-Fox met en place une grande expérience en plaçant des centaines de répliques de coléoptères dans des forêts tropicales et des environnements ouverts pour essayer de distinguer les théories du camouflage et de l'évitement.
Elle exécute également une tâche de recherche visuelle dans laquelle des personnes portent des suiveurs oculaires mobiles pour voir à quel point le camouflage des coléoptères est efficace contre les humains.
La nature inspire les nouvelles technologies
Alors que les biologistes examinent les avantages évolutifs de la couleur structurelle, des physiciens comme le professeur Roberts cherchent des moyens d'exploiter les effets structurels pour des applications technologiques.
Une façon de créer une couleur structurelle en laboratoire consiste à sculpter des motifs dans un matériau à l'aide d'électrons dans un processus appelé lithographie par faisceau d'électrons.
Mais cela peut être long et coûteux, et il ne peut être utilisé que sur de petites parcelles de matériel.
"Nous travaillons actuellement sur le développement d'une approche plus évolutive, " dit le professeur Roberts.
Son travail consiste à produire des moules réutilisables qui emboutissent la structure dans des plastiques souples, qui est beaucoup plus efficace pour couvrir de grandes surfaces que la lithographie par faisceau d'électrons. Il simplifie également considérablement le processus de coloration.
Si nous regardons l'impression couleur standard, il nécessite la superposition de plusieurs encres différentes, c'est pourquoi les imprimantes à jet d'encre ont plusieurs cartouches de couleur. Mais la couleur structurelle peut obtenir le même résultat avec un seul tampon.
Des pixels plus petits permettent des résolutions plus élevées et une technologie plus compacte. Crédit :Shutterstock
Et, contrairement à son homologue à base de pigment, la couleur structurelle ne s'estompe pas avec le temps.
L'avenir de la couleur
Alors que la couleur structurelle peut avoir des utilisations esthétiques, Les recherches du professeur Roberts portent sur des applications plus intéressantes de la technologie, ce qui pourrait permettre la production de caméras à plus haute résolution ainsi que d'écrans de télévision et de smartphone ultra-minces.
Pour obtenir des choses comme une résolution plus élevée, nous devons réduire la taille des pixels de ces appareils.
Les pixels utilisent un petit rouge, filtres verts et bleus pour produire les couleurs que nous voyons sur nos écrans. Donc, la taille des pixels est fondamentalement limitée par la taille des filtres de couleur que vous pouvez produire.
Les filtres à base de pigments des dispositifs actuels ont généralement une épaisseur de quelques micromètres. Mais avec la couleur structurelle, Le professeur Roberts peut créer des filtres environ dix fois plus fins, passer à l'échelle nanométrique. Des pixels plus petits permettent des résolutions plus élevées et une technologie plus compacte.
Ses recherches récentes portent sur l'intégration d'un filtre de couleur structurel directement dans une puce de silicium.
"Les filtres qui produisent le rouge-vert-bleu font alors partie intégrante de l'appareil lui-même, vous n'utilisez pas un gros filtre à base de colorant que vous mettez dessus, " elle dit.
Non seulement cela lui permet de fabriquer des filtres plus petits, il évite également les difficultés de fabrication liées à l'alignement des filtres pigmentaires avec les pixels à l'échelle micro.
Le professeur Stuart-Fox dit que l'utilité de la couleur structurelle réside dans sa diversité.
« Les structures biologiques ont tendance à être complexes, mais ils utilisent quelques blocs de construction de base, " elle dit.
« Maintenant que nous avons la capacité de fabriquer des structures et des matériaux plus complexes, nous avons plus de capacité à puiser dans la biologie comme source d'inspiration."
