Les métamatériaux sont des substances artificielles dont les propriétés sont déterminées par leur structure méticuleusement conçue. Par exemple, les métamatériaux peuvent être fabriqués de manière à interagir avec la lumière ou le son d'une manière spécifique. Les structures de surface uniques jouent un rôle vital dans les métamatériaux, et les scientifiques ont commencé à chercher dans la nature elle-même des surfaces à motifs desquelles s'inspirer.

Maintenant, Kotara Kajikawa et Yuusuke Ebihara à l'Institut de technologie de Tokyo, avec Masayuki Shimojo au Shibaura Institute of Technology, Japon, ont fabriqué un nouveau « biométamatériau » en utilisant une feuille de lotus comme modèle. La nouvelle substance est capable d'absorber presque totalement la lumière dans tout le spectre visible.

Les chercheurs ont profité de la structure unique des cellules à la surface d'une feuille de lotus. Les cils sur les feuilles sont sous la forme de minuscules, orienté au hasard, nanotiges de type macaroni, chacun mesurant environ 100 nanomètres (nm) de diamètre (voir image). L'équipe a émis l'hypothèse qu'une telle structure pourrait confiner efficacement la lumière.

Kajikawa et ses collègues ont enduit un certain nombre de feuilles différentes d'une fine couche de film d'or, appliqué de deux manières différentes. L'évaporation sous vide utilisant le chauffage thermique a détruit les structures de nanotiges à la surface de la feuille, mais une technique de pulvérisation par pulvérisation a été beaucoup plus efficace. Le revêtement d'or résultant variait en épaisseur de 10 nm à 30 nm sur différents échantillons. Ainsi que des feuilles de lotus, ils ont également utilisé des feuilles de trois autres plantes comme témoins.

Les chercheurs ont découvert que le biométamatériau d'or de 10 nm d'épaisseur créé à l'aide de feuilles de lotus présentait une réflectivité inférieure à 0,01 sur tout le spectre visible. Les calculs ont montré que la faible réflectivité, ce qui se traduit par une absorption presque complète de la lumière à la surface du matériau, semble provenir des nanotiges orientées au hasard à la surface de la feuille.

D'autres travaux sont en cours pour voir si Kajikawa et son équipe peuvent trouver un moyen simple et efficace de retirer le biométamatériau doré du modèle de feuille une fois celui-ci créé.

Avancées des métamatériaux

Créer des matériaux synthétiques pour manipuler les ondes électromagnétiques n'est pas un concept nouveau. En effet, l'idée des métamatériaux existe depuis au moins 100 ans, mais ce n'est qu'au cours des dernières décennies que la technologie a vraiment commencé à décoller. En concevant la forme, géométrie et orientation d'un matériau avec une précision précise, des propriétés peuvent être obtenues qui ne sont pas possibles dans la nature.

Cela ne veut pas dire que la nature ne joue pas un rôle important dans la conception de tels matériaux. Récemment, les chercheurs ont commencé à étudier les structures de surface à l'échelle nanométrique et les modèles cellulaires des plantes dans l'espoir que les surfaces naturelles fourniront une inspiration et des modèles pour de nouveaux « biométamatériaux ».

Les technologies récentes construites à l'aide de métamatériaux comprennent les absorbeurs de lumière, capteurs, filtres optiques et dispositifs d'occultation, pour n'en nommer que quelques uns. Il existe un grand potentiel pour de nouvelles conceptions de métamatériaux avec des propriétés uniques et précises.

Méthodologie

Le biométamatériau fabriqué par Kotaro Kajikawa et ses collègues utilise les structures nanométriques uniques sur les feuilles de lotus - dont le rôle principal est de créer une surface hautement hydrofuge pour les feuilles. Ces structures se présentent sous la forme de nanotiges orientées aléatoirement, qui, selon l'équipe, fournirait un modèle utile pour un métamatériau conçu pour absorber la lumière.

Les chercheurs ont testé deux méthodes pour créer un métamatériau à base d'or à la surface des feuilles :l'évaporation sous vide à l'aide de la chaleur et une technique de « pulvérisation ». Le premier d'entre eux a abouti à un complètement lisse, surface réfléchissante dorée parce que les structures des nanotiges s'étaient effondrées lors du chauffage. La pulvérisation a fonctionné beaucoup mieux - les images de microscopie électronique à balayage ont révélé que les nanotiges intactes orientées au hasard étaient préservées, et des résultats prometteurs ont été obtenus dans un biométamatériau constitué d'une très fine couche d'or de 10 nm.

Cette étude met en évidence le potentiel de l'utilisation de surfaces naturelles pour générer des métamatériaux très précis à des fins spécifiques. L'équipe travaille maintenant sur les moyens d'éliminer le biométamatériau de la feuille une fois celle-ci créée, un processus délicat qui, selon les chercheurs, peut être réalisé avec une forme de traitement chimique.