Des chercheurs du National Graphene Institute de l'Université de Manchester ont créé des dispositifs optiques avec une gamme unique d'accordabilité, couvrant tout le spectre électromagnétique, y compris la lumière visible.

Un article publié dans Photonique de la nature décrit les applications de cette gamme de technologies de « surface intelligente », des dispositifs d'affichage de nouvelle génération aux couvertures thermiques dynamiques pour satellites et au camouflage adaptatif multispectral.

L'accordabilité des appareils est obtenue par un processus connu sous le nom d'électro-intercalation, ce qui implique dans ce cas l'interposition d'ions lithium entre des feuilles de graphène multicouche (MLG), offrant un contrôle sur l'électricité, propriétés thermiques et magnétiques.

Le dispositif MLG est laminé et scellé sous vide dans une pochette en polyéthylène basse densité qui a plus de 90 % de transparence optique de la lumière visible au rayonnement micro-ondes.

La charge passe du gris à l'or

Pendant la charge (intercalation) ou la décharge (désintercalation), les propriétés électriques et optiques de la MLG changent radicalement. L'appareil déchargé apparaît gris foncé en raison de la haute capacité d'absorption (> 80%) de la couche supérieure de graphène dans le régime visible. Lorsque l'appareil est complètement chargé (à ~3,8 V), la couche de graphène apparaît de couleur or. L'espace colorimétrique réalisable peut être enrichi pour inclure une gamme allant du rouge au bleu en utilisant des effets optiques tels que l'interférence de couches minces.

Professeur Coskun Kocabas, auteur principal de l'étude, a déclaré :« Nous avons fabriqué une nouvelle classe de dispositifs optiques multispectraux dotés d'une capacité de changement de couleur auparavant impossible à atteindre en fusionnant la technologie du graphène et de la batterie.

« La démonstration réussie de surfaces optiques intelligentes à base de graphène permet des avancées potentielles dans de nombreux domaines scientifiques et techniques. »

Par exemple, une couverture thermique dynamique pourrait refléter sélectivement la lumière visible ou infrarouge et permettre à un satellite de réfléchir le rayonnement du côté faisant face au soleil, tout en émettant un rayonnement à partir de ses faces ombrées. De la même manière, quand dans l'ombre de la Terre, cette couverture peut isoler le satellite du refroidissement de l'espace lointain [voir la figure ci-dessous]. Ces actions réguleraient les températures internes bien plus efficacement qu'un revêtement thermique statique.

Des études antérieures ont examiné des dispositifs dans des gammes de longueurs d'onde spécifiques de micro-ondes, térahertz, infrarouge et visible, en utilisant du graphène simple et multicouche. Mais c'était le défi d'étendre la couverture à la lumière visible tout en maintenant l'activité optique à une longueur d'onde plus longue qui nécessitait une innovation dans la structure de l'appareil, surmonter les difficultés établies dans l'intégration de dispositifs optiques avec des cellules électrochimiques.

"Ici, nous avons utilisé une batterie lithium-ion à base de graphène comme dispositif optique, " a-t-il ajouté. " En contrôlant la densité électronique du graphène, nous sommes maintenant en mesure de contrôler la lumière des longueurs d'onde visibles aux micro-ondes sur le même appareil."

Le professeur Sir Kostya Novoselov, lauréat du prix Nobel, était co-auteur de l'article et a déclaré :« Le graphène à quelques couches offre un contrôle sans précédent sur ses propriétés optiques grâce à la charge. De tels dispositifs peuvent trouver leurs applications dans de nombreux domaines :de l'optique adaptative à la gestion thermique.