Un caméléon peut modifier la couleur de sa peau afin qu'il se fonde dans l'arrière-plan pour se cacher ou se démarque pour défendre son territoire et attirer un partenaire. Le caméléon rend cette astuce facile, utilisant des cristaux photoniques dans sa peau. Scientifiques, cependant, ont lutté pour faire une « peau intelligente » de cristal photonique qui change de couleur en réponse à l'environnement, sans également changer de taille.

Le journal ACS Nano publie des recherches menées par des chimistes de l'Université Emory qui ont trouvé une solution au problème. Ils ont développé une peau intelligente et flexible qui réagit à la chaleur et à la lumière du soleil tout en maintenant un volume presque constant.

"Regarder un caméléon changer de couleur m'a donné l'idée de la percée, " dit le premier auteur Yixiao Dong, un doctorat candidat au département de chimie d'Emory. "Nous avons développé un nouveau concept pour une peau intelligente qui change de couleur, basé sur des observations de la façon dont la nature le fait.

"Les scientifiques dans le domaine des cristaux photoniques travaillent depuis longtemps pour essayer de créer des skins intelligents qui changent de couleur pour une gamme d'applications potentielles, comme le camouflage, étiquettes de détection chimique et anti-contrefaçon, " ajoute Khalid Salaita, auteur principal de l'article et professeur de chimie Emory. "Alors que notre travail en est encore aux étapes fondamentales, nous avons établi les principes d'une nouvelle approche à explorer et à exploiter."

Les co-auteurs de l'article incluent Alisina Bazrafshan et Dale Combs (étudiants Emory Ph.D.); Kimberly Clarke (boursière postdoctorale Emory); et Anastassia Pokutta, Fatiesa Sulejmani et Wei Sun (du département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech).

Outre les caméléons, de nombreuses autres créatures ont développé la capacité de changer de couleur. Les rayures sur un poisson tétra néon, par exemple, passent de l'indigo foncé au bleu-vert lorsqu'ils nagent dans la lumière du soleil.

La coloration de ces organismes n'est pas basée sur des pigments, mais sur de minuscules particules dans un motif répétitif, appelés cristaux photoniques. La périodicité de ces particules fait que le matériau interfère avec les longueurs d'onde de la lumière. Bien que les particules elles-mêmes soient incolores, l'espacement précis entre eux permet à certaines ondes lumineuses de les traverser tout en rejetant d'autres. Les couleurs visibles produites changent en fonction de facteurs tels que les conditions d'éclairage ou les changements de distance entre les particules. L'irisation de certaines ailes de papillon et les plumes de paons sont parmi de nombreux autres exemples de cristaux photoniques dans la nature.

Si vous mettez des fraises dans un mixeur, Dong explique, le liquide résultant sera rouge car la couleur des fraises vient du pigment. Si vous broyez des ailes de papillon irisées, cependant, le résultat sera une poudre terne car les couleurs de l'arc-en-ciel n'étaient pas basées sur des pigments, mais sur ce qu'on appelle la "couleur structurelle". La structure des réseaux de cristaux photoniques est détruite lorsque les ailes de papillon sont broyées.

Pour imiter les caméléons et créer une peau intelligente artificielle, les scientifiques ont expérimenté l'intégration de matrices de cristaux photoniques dans des polymères aqueux, ou des hydrogels. L'expansion ou la contraction de l'hydrogel modifie l'espacement entre les réseaux, entraînant un changement de couleur. Le problème, cependant, est que l'action semblable à un accordéon nécessaire pour générer un changement visible de teinte fait que l'hydrogel augmente ou rétrécit de manière significative, entraînant une instabilité structurelle et un flambage du matériau.

"Personne ne veut d'une cape de camouflage qui rétrécit pour changer de couleur, " note Salaita.

Dong réfléchissait au problème en regardant des vidéos YouTube d'un caméléon. "Je voulais comprendre pourquoi un caméléon ne devient pas plus gros ou plus petit lorsqu'il change de couleur, mais reste sa taille d'origine, " il dit.

En gros plan, des images en accéléré des teintes changeantes du caméléon, Dong a remarqué que les réseaux de cristaux photoniques ne couvraient pas toute la peau mais étaient répartis dans une matrice sombre. Alors que les cristaux photoniques prenaient des couleurs différentes, ces taches de couleur sont restées à la même distance les unes des autres. Dong a émis l'hypothèse que les cellules de la peau constituant la matrice sombre se sont en quelque sorte ajustées pour compenser les changements dans les cristaux photoniques.

« Je me suis demandé si nous pouvions concevoir quelque chose de similaire :une structure composite de réseaux de cristaux photoniques intégrés dans une matrice d'adaptation aux contraintes, " dit Dong.

Les chercheurs ont utilisé des aimants pour organiser des motifs de cristaux photoniques contenant de l'oxyde de fer dans un hydrogel. Ils ont ensuite intégré ces tableaux dans un second, hydrogel qui ne change pas de couleur. La deuxième, L'hydrogel élastique a été mécaniquement adapté au premier hydrogel pour compenser les décalages de distances entre les cristaux photoniques. Lorsqu'il est chauffé, cette peau intelligente résistante aux contraintes (SASS) change de couleur mais conserve une taille presque constante.

Dong a également testé le matériau au soleil, fabriquer des films SASS en forme de poisson, en hommage au tétra néon, ainsi que dans la forme d'une feuille. Lorsqu'il est exposé à la lumière naturelle du soleil pendant 10 minutes, les films SASS sont passés de l'orange au vert, sans changer de taille.

« Nous avons fourni un cadre général pour guider la conception future des peaux intelligentes artificielles, " Dong dit. " Il y a encore un long chemin à parcourir pour des applications réelles, mais c'est excitant de pousser le domaine encore plus loin."