Le mâle de l'espèce de papillon tropical Cynandra opis a servi de modèle pour les couleurs structurelles imprimées en 3D. Crédit :ETH Zurich
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont créé des couleurs artificielles en imprimant en 3D certaines nanostructures inspirées de celles d'un papillon. Ce principe pourra être utilisé à l'avenir pour réaliser des écrans couleur.
Pour leur nouvelle technologie, les scientifiques du groupe d'Andrew deMello, professeur de génie biochimique, se sont inspirés des papillons. Les ailes de l'espèce Cynandra opis, originaire d'Afrique tropicale, sont décorées de couleurs brillantes. Ceux-ci sont produits par des structures de surface régulières extrêmement complexes dans la gamme de taille de la longueur d'onde de la lumière visible. En déviant les rayons lumineux, ces structures amplifient ou annulent les composantes de couleur individuelles de la lumière. Dirigés par deMello, les chercheurs ont réussi à reproduire les structures de surface de Cynandra opis, ainsi que d'autres structures modifiées, en utilisant une technique d'impression nano-3D. De cette façon, ils ont créé un principe facile à utiliser pour la production de structures qui génèrent des couleurs structurelles.
Il existe de nombreux exemples d'une telle coloration structurelle dans la nature, y compris des structures de surface irrégulières - par exemple, trouvées chez d'autres espèces de papillons. "Les nanostructures régulières sur les ailes de Cynandra opis étaient cependant particulièrement bien adaptées à la reconstruction par impression 3D", explique Xiaobao Cao, ancien doctorant du groupe deMello et auteur principal de cette étude. Les structures de Cynandra opis se composent de deux couches de grille empilées perpendiculairement l'une à l'autre, avec un espacement de réseau d'environ 1/2 à 1 micromètre.
Toute la palette de couleurs
En faisant varier cet espacement de réseau et la hauteur des tiges de réseau dans la plage comprise entre 250 nanomètres et 1,2 micromètre, les chercheurs de l'ETH ont pu produire des structures imprimées en 3D qui génèrent toutes les couleurs du spectre visible. Beaucoup de ces couleurs n'apparaissent pas dans le modèle naturel (le papillon) sur lequel leurs structures sont basées.
Les chercheurs ont réussi à produire de telles surfaces en utilisant différents matériaux, dont un polymère transparent. "Cela a permis d'éclairer la structure par derrière pour faire ressortir la couleur", explique Stavros Stavrakis, scientifique senior du groupe deMello et co-auteur de l'étude. "C'est la première fois que nous réussissons à produire toutes les couleurs du spectre visible en tant que couleurs structurelles dans un matériau translucide."
Fonction de sécurité
Dans le cadre de l'étude, les scientifiques ont produit une image miniature de pixels de couleur structurelle multi-teintes mesurant 2 sur 2 micromètres. Ces petites images pourraient un jour être utilisées comme élément de sécurité sur les billets de banque et autres documents. Comme les couleurs peuvent être produites avec un matériau transparent, il serait également possible de fabriquer des filtres de couleur pour les technologies optiques. Cela cadre bien avec l'activité de recherche principale du groupe du professeur EPF deMello, qui développe des systèmes microfluidiques, des systèmes miniaturisés pour des expériences chimiques et biologiques.
La production à grande échelle de nanostructures est également envisageable, selon les chercheurs. Une structure négative pourrait être imprimée en 3D pour servir de gabarit, ce qui permettrait de produire un grand nombre de reproductions. Cela signifie que le principe pourrait convenir à la fabrication d'écrans couleur haute résolution, tels que des écrans minces pliables. Et enfin, les scientifiques soulignent que les couleurs structurelles pourraient remplacer les pigments utilisés aujourd'hui dans l'impression et la peinture. Les couleurs structurelles présentent certains avantages par rapport aux pigments conventionnels :elles durent plus longtemps car elles ne s'estompent pas lorsqu'elles sont exposées à la lumière et, dans la plupart des cas, elles ont une meilleure empreinte environnementale.
La recherche a été publiée dans Advanced Materials . La modélisation informatique explique pourquoi les bleus et les verts sont les couleurs les plus brillantes de la nature
