(Phys.org) - Les couleurs des ailes d'un papillon sont exceptionnellement brillantes et belles et sont le résultat d'un trait inhabituel; la façon dont ils réfléchissent la lumière est fondamentalement différente de la façon dont la couleur fonctionne la plupart du temps.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie a trouvé un moyen de générer ce type de "couleur structurelle" qui a l'avantage supplémentaire d'un autre trait des ailes de papillon :la super-hydrophobie, ou la capacité de repousser fortement l'eau.

La recherche a été dirigée par Shu Yang, professeur agrégé au Département de science et génie des matériaux de la Penn's School of Engineering and Applied Science, et comprenait d'autres membres de son groupe :Jie Li, Guanquan Liang et Xuelian Zhu.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .

"De nombreuses recherches au cours des 10 dernières années ont été menées pour essayer de créer des couleurs structurelles comme celles trouvées dans la nature, dans des choses comme les ailes de papillon et les opales, " a dit Yang." Les gens se sont également intéressés à la création de surfaces superhydrophobes que l'on trouve dans des choses comme les feuilles de lotus, et en ailes de papillon, trop, car ils ne pouvaient pas rester dans l'air avec des gouttes de pluie accrochées à eux."

Les deux qualités, la couleur structurelle et la superhydrophobie, sont liées par des structures. La couleur structurelle est le résultat de motifs périodiques, tandis que la superhydrophobie est le résultat de la rugosité de la surface

Lorsque la lumière frappe la surface d'un réseau périodique, c'est dispersé, interféré ou diffracté à une longueur d'onde comparable à la taille du réseau, produisant une couleur particulièrement brillante et intense qui est beaucoup plus forte que la couleur obtenue à partir de pigments ou de colorants.

Lorsque l'eau se pose sur une surface hydrophobe, sa rugosité réduit la surface de contact effective entre l'eau et une zone solide où elle peut adhérer, résultant en une augmentation de l'angle de contact avec l'eau et de la mobilité des gouttelettes d'eau sur une telle surface.

En essayant de combiner ces traits, les ingénieurs doivent passer par des épreuves compliquées, processus en plusieurs étapes, premier à créer des structures 3D chromogènes à partir d'un polymère, suivi d'étapes supplémentaires pour les rendre rugueux à l'échelle nanométrique. Ces étapes secondaires, comme l'assemblage de nanoparticules, ou gravure plasma, doit être effectuée très soigneusement afin de ne pas faire varier la propriété optique déterminée par le réseau périodique 3D créé dans la première étape.

La méthode de Yang commence par une technique de photolithographie non conventionnelle, lithographie holographique, où un laser crée un réseau 3D réticulé à partir d'un matériau appelé résine photosensible. Le matériau photorésistant dans les régions qui ne sont pas exposées à la lumière laser est ensuite éliminé par un solvant, laissant les "trous" dans le réseau 3D qui fournit la couleur structurelle.

Au lieu d'utiliser des nanoparticules ou une gravure plasma, L'équipe de Yang a pu ajouter la nano-rugosité souhaitée aux structures en changeant simplement les solvants après avoir lavé la résine photosensible. L'astuce consistait à utiliser un mauvais solvant; meilleur est un solvant, plus il essaie de maximiser le contact avec le matériau. Les mauvais solvants ont l'effet inverse, dont l'équipe a profité à l'issue de l'étape de photolithographie.

"Le bon solvant fait gonfler la structure, " a dit Yang. " Une fois qu'il a gonflé, nous mettons dans le mauvais solvant. Parce que le polymère déteste le mauvais solvant, il croque et se ratatine, formant des nanosphères dans le réseau 3D.

"Nous avons constaté que plus le solvant que nous utilisions était mauvais, plus nous pourrions rendre les structures plus rugueuses, " a dit Yang.

La superhydrophobie et la couleur structurelle sont toutes deux très demandées pour une variété d'applications. Les matériaux avec une couleur structurelle pourraient être utilisés comme analogues à base de lumière des semi-conducteurs, par exemple, pour le guidage de la lumière, laser et détection. Comme ils repoussent les liquides, les revêtements superhydrophobes sont autonettoyants et imperméables. Étant donné que les dispositifs optiques dépendent fortement de leur degré de transmission de la lumière, la capacité de maintenir la sécheresse et la propreté de la surface de l'appareil minimisera la consommation d'énergie et l'impact environnemental négatif sans l'utilisation de travaux intensifs et de produits chimiques. Yang a récemment reçu une subvention pour développer de tels revêtements pour panneaux solaires.

Les chercheurs ont des idées sur la façon dont les deux traits pourraient être combinés en une seule application, également.

"Spécifiquement, nous sommes intéressés à mettre ce genre de matériel à l'extérieur des bâtiments, " Yang a dit. " La couleur structurelle que nous pouvons produire est brillante et très décorative, et il ne s'effacera pas comme les colorants de pigmentation conventionnels. L'introduction de la nano-rugosité offrira des avantages supplémentaires, comme l'efficacité énergétique et le respect de l'environnement.

"Ce pourrait être une façade haut de gamme pour l'esthétique seule, en plus de l'attrait de ses propriétés autonettoyantes. Nous développons également des enveloppes de bâtiments écoénergétiques qui intégreront de tels matériaux dans des capteurs optiques. »