Dans un sous-sol profond sous le Laboratoire de science et d'ingénierie intégrées de l'Université Harvard, Mikhail Kats s'habille. Couvre-chaussures en maille, un masque facial, un filet à cheveux, une combinaison gris pâle, bottes en tissu jusqu'aux genoux, gants de vinyle, lunettes de sécurité, et une capuche avec des fermoirs au col - ce n'est pas pour le protéger, Kats explique, mais pour protéger les équipements et matériaux délicats à l'intérieur de la salle blanche.

Tout en obtenant son doctorat. en physique appliquée à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Kats a passé d'innombrables heures dans cette installation de pointe. Avec son conseiller, Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, Kats a contribué à des avancées étonnantes.

L'un est un métamatériau qui absorbe 99,75 % de la lumière infrarouge, ce qui est très utile pour les appareils d'imagerie thermique. Un autre est ultra-mince, lentille plate qui focalise la lumière sans conférer les distorsions des lentilles conventionnelles. Et l'équipe a produit des faisceaux vortex, des faisceaux lumineux qui ressemblent à un tire-bouchon, qui pourraient aider les entreprises de communication à transmettre plus de données sur une bande passante limitée.

Certainement l'avancée la plus colorée qui soit sortie du labo Capasso, cependant, est une technique qui recouvre un objet métallique d'une couche extrêmement fine de semi-conducteur, à peine quelques nanomètres d'épaisseur. Bien que le semi-conducteur soit de couleur gris acier, l'objet finit par briller dans des teintes vibrantes. C'est parce que le revêtement exploite les effets d'interférence dans les films minces; Kats le compare aux arcs-en-ciel irisés qui sont visibles lorsque le pétrole flotte sur l'eau. Soigneusement réglé en laboratoire, ces revêtements peuvent produire un brillant, rose uni—ou, dire, un bleu vif — utilisant les deux mêmes métaux, appliqué avec seulement quelques atomes de différence d'épaisseur.

Le groupe de recherche de Capasso a annoncé la découverte en 2012, mais à ce moment-là, ils avaient seulement démontré le revêtement sur relativement lisse, surfaces planes comme le silicium. Cet automne, le groupe a publié un deuxième article, dans la revue Lettres de physique appliquée , pousser le travail beaucoup plus loin.

"J'ai découpé un morceau de papier dans mon cahier et j'y ai déposé de l'or et du germanium, " Kats dit, "et cela a fonctionné de la même manière."

Cette découverte, trompeusement simple étant donné la physique impliquée, suggère maintenant que les revêtements ultrafins pourraient être appliqués à pratiquement n'importe quel matériau rugueux ou flexible, des tissus portables à l'électronique extensible.

"Cela peut être considéré comme un moyen de colorer presque n'importe quel objet en utilisant juste une infime quantité de matériau, " dit Capasso.

Il n'était pas évident que les mêmes effets de couleur seraient visibles sur des supports rugueux, car les effets d'interférence sont généralement très sensibles à l'angle de la lumière. Et sur une feuille de papier, Kats explique, "Il y a des collines et des vallées et des fibres et de petites choses qui dépassent - c'est pourquoi vous ne pouvez pas voir votre reflet dedans. La lumière se disperse."

D'autre part, les films appliqués sont si extrêmement fins qu'ils interagissent avec la lumière presque instantanément, donc en regardant le revêtement directement sur ou de côté - ou, comme il s'avère, regarder ces imperfections rugueuses dans le papier ne fait pas beaucoup de différence pour la couleur. Et le papier reste souple, comme d'habitude.

Démonstration de la technique en salle blanche au Center for Nanoscale Systems, un centre de recherche soutenu par la National Science Foundation à Harvard, Kats utilise une machine appelée évaporateur à faisceau d'électrons pour appliquer le revêtement d'or et de germanium. Il scelle l'échantillon de papier à l'intérieur de la chambre de la machine, et une pompe aspire l'air jusqu'à ce que la pression chute à un niveau stupéfiant de 10 ^-6 Torr (un milliardième d'atmosphère). Un flux d'électrons heurte une pièce d'or contenue dans un creuset en carbone, et le métal se vaporise, voyageant vers le haut à travers le vide jusqu'à ce qu'il touche le papier. Répéter le processus, Kats ajoute la deuxième couche. Un peu plus ou un peu moins de germanium fait la différence entre l'indigo et le cramoisi.

Cette technique de laboratoire particulière, Kats fait remarquer, est unidirectionnel, donc à l'œil nu des différences de couleur très subtiles sont visibles sous différents angles, où un peu moins de métal a atterri sur les côtés des crêtes et des vallées du papier. "Vous pouvez imaginer des applications décoratives où vous pourriez vouloir quelque chose qui a un peu de cet aspect nacré, où vous regardez sous différents angles et voyez une nuance différente, " note-t-il. " Mais si nous devions aller à côté et utiliser un pulvérisateur réactif au lieu de cet évaporateur à faisceau électronique, on pourrait facilement obtenir un revêtement conforme à la surface, et vous ne verriez aucune différence."

De nombreux couples de métaux différents sont possibles, trop. "Le germanium est bon marché. L'or est plus cher, bien sûr, mais en pratique nous n'en utilisons pas beaucoup, " explique Kats. L'équipe de Capasso a également démontré la technique utilisant l'aluminium.

"C'est une façon de colorer quelque chose avec une très fine couche de matière, donc en principe, si c'est un métal pour commencer, vous pouvez simplement utiliser 10 nanomètres pour le colorer, et si ce n'est pas le cas, vous pouvez déposer un métal de 30 nm d'épaisseur puis encore 10 nm. C'est beaucoup plus fin qu'un revêtement de peinture conventionnel qui peut avoir une épaisseur comprise entre un micron et 10 microns."

Dans les situations occasionnelles où le poids de la peinture est important, cela peut être très important. Capasso se souvient, par exemple, que le réservoir de carburant externe de la navette spatiale de la NASA était peint en blanc. Après les deux premières missions, les ingénieurs ont arrêté de le peindre et ont économisé 600 livres de poids.

Parce que les revêtements métalliques absorbent beaucoup de lumière, ne reflétant qu'un ensemble étroit de longueurs d'onde, Capasso suggère qu'ils pourraient également être incorporés dans des dispositifs optoélectroniques tels que des photodétecteurs et des cellules solaires.

"Le fait que ceux-ci puissent être déposés sur des substrats flexibles a des implications pour l'optoélectronique flexible et peut-être même extensible qui pourrait faire partie de vos vêtements ou pourrait être enroulée ou pliée, " dit Capasso.

Le bureau de développement technologique de Harvard continue de rechercher des opportunités commerciales pour la nouvelle technologie de revêtement couleur et accueille les contacts des parties intéressées.

Kats, qui termine son poste de recherche postdoctorale d'un an à SEAS ce mois-ci, deviendra professeur assistant à l'Université du Wisconsin, Madison, en janvier. Il attribue à ces nombreuses heures passées dans les installations ultramodernes du laboratoire de Harvard une grande partie de son succès en physique appliquée.

"Vous apprenez tellement pendant que vous le faites, " Kats dit. " Vous pouvez être créatif, découvrir quelque chose en chemin, appliquer quelque chose de nouveau à votre recherche. C'est merveilleux que nous ayons ici des étudiants et des post-doctorants qui fabriquent des choses."