Principe de production de couleurs structurelles à partir de doubles couches d'argiles nématiques (DBL). (A) Schéma de la structure lamellaire 2D de Na-fluorohectorite synthétique (Na-FHt). Na-FHt forme spontanément des phases nématiques de nanofeuilles simples de 1 nm d'épaisseur [couches simples (SGL)] lorsqu'elles sont immergées dans l'eau. (B) Schémas du protocole de production de phases nématiques de doubles couches de 2 nm d'épaisseur (DBL). (C) Couleurs structurales obtenues à partir de suspensions aqueuses SGL à force ionique nulle. (D) Couleurs structurelles de suspensions aqueuses DBL à force ionique nulle. Les concentrations d'argile sont données en % volumique. (E) Principe de coloration structurale réfléchissante obtenue à partir d'une suspension d'empilement lamellaire de Bragg. Chaque lamelle est semi-transparente, reflétant une partie de la lumière blanche entrante qui interfère ensuite de manière constructive selon la loi de Bragg-Snell, améliorant ainsi une seule couleur qui dépend à la fois de la distance entre les couches et de l'angle d'observation (iridescence). Un fond sombre absorbe la lumière blanche qui est transmise à travers toute la pile. Seul le cas DBL est représenté sur le croquis. Crédit :Progrès scientifiques .
Dans un nouveau rapport maintenant publié sur Science Advances , Paulo H. Michels-Brito, et une équipe de chercheurs en physique, chimie inorganique et chimie physique en Allemagne et en Norvège, ont montré comment une coloration structurelle brillante sans irisation pouvait être facilement et rapidement obtenue à partir de nanofeuilles bidimensionnelles de minéral argileux.
Les couleurs structurelles peuvent provenir de solutions de nanofeuilles minérales argileuses via une interférence constructive de la lumière après réflexion et diffusion à partir de nanostructures avec une périodicité comparable aux longueurs d'onde de la lumière visible. Les scientifiques ont considérablement amélioré la luminosité en utilisant des nanofeuilles d'argile doubles pour optimiser l'indice de réfraction de l'argile qui pourrait autrement entraver la coloration structurelle de ces systèmes.
En faisant varier la concentration d'argile et la force ionique, les couleurs structurelles pourraient être régulées avec précision et de manière reproductible pour obtenir facilement une absence d'irisation. De telles nanofeuilles de conception d'argile peuvent être intégrées dans des matrices solides recyclables pour fournir simultanément des couleurs vives et accordables, une résistance mécanique et une stabilité pour ouvrir une région jusque-là inconnue pour des couleurs durables.
Coloration structurelle dans la nature et en laboratoire
Les couleurs structurelles résultent d'ondes photoniques qui interfèrent de manière constructive après réflexion et diffusion à partir de nanostructures avec des distances comparables aux longueurs d'onde de la lumière visible. Le mécanisme de la coloration structurelle est fondamentalement différent de l'absorbance des colorants ou des pigments. Par exemple, avec des couleurs structurelles, le matériau pourrait être semi-transparent, où le spectre de couleurs peut être réglé en ajustant les nanostructures.
Ce mécanisme peut être combiné avec des pigments sombres absorbant la lumière comme indiqué avec les principaux mécanismes de coloration biologique observés dans la nature; en vedette sur les oiseaux, les animaux marins, certains mammifères, les insectes et certaines plantes. Le concept de coloration structurelle a également suscité un énorme intérêt dans les secteurs industriels, notamment la cosmétique photonique de L'Oréal et le Morphotex pour représenter des conceptions bioinspirées.
Cependant, l'abondance et le temps nécessaires pour fabriquer le concept sont des limitations majeures pour les applications industrielles haut de gamme. La coloration structurelle repose sur l'irisation, par exemple les plumes des oiseaux bleus et des papillons peuvent être imitées à l'aide de particules colloïdales. Dans ce travail, Michels-Brito et al. a conçu une méthode pour produire des couleurs structurelles à partir de doubles couches d'argile nématique (DBL). L'équipe a choisi la fluorohectorite de sodium synthétique (Na-FHt) - un minéral argileux synthétique de qualité supérieure par rapport à l'homogénéité structurelle, à la distribution de charge étroite et au rapport d'aspect élevé, que l'équipe a qualifié de propriétés des matériaux.
Les chercheurs ont réglé le rapport Na-FHt sur eau et les séparations de nanofeuilles en fonction de la gamme de longueurs d'onde de la lumière visible, où les empilements photoniques de Bragg couvrant l'ensemble du spectre de couleurs pourraient être produits rapidement et facilement. Les monocouches suspendues ont donné naissance à des couleurs douces et lumineuses. Cependant, l'équipe a pu améliorer la luminosité et la non-iridescence des couleurs structurelles en appliquant des doubles couches (DBL) de deux couches simples suspendues épinglées ensemble.
En tant qu'analogue biomimétique direct de ce mécanisme, Michels-Brito et al. ont comparé les calmars loliginides, en raison de leur capacité à ajuster leurs couleurs structurelles via des changements osmotiquement. La coloration structurelle des DBL (doubles couches) reposait sur une forte répulsion électrostatique entre les nanofeuilles d'argile cofaciales (de type lego) pour les séparer à différentes distances en ajoutant simplement la bonne quantité d'eau et en choisissant la longueur d'onde qui interfère de manière constructive.
Les scientifiques ont décrit l'interférence constructive de la lumière blanche provenant de nanofeuilles individuelles en utilisant la loi de Bragg-Snell. En conséquence, la couleur observée dépendait de la distance entre les couches et de l'angle d'observation (iridescence). L'équipe a régulé la séparation des nanofeuilles en ajustant la concentration d'argile dans les suspensions dans des cuvettes plates en quartz avec une longueur de trajet de 1 mm pour montrer la possibilité d'ajuster rapidement les couleurs structurelles en ajoutant de l'eau dans la solution.
Caractérisation et contrôle des couleurs structurales des DBL d'argiles nématiques. (A) Couleurs structurelles des gammes R1 et R2 (fig. S6 montre la biréfringence). (B) RSP pour la gamme R1. (C) RSP pour la gamme R2. (D) Maxima RSP (avec barres d'erreur) en fonction du % de volume et de l'ajustement linéaire. (E) Maxima RSP (avec barres d'erreur) en fonction du pourcentage de volume et de l'ajustement linéaire. Les détails de la façon dont les maxima RSP ont été déterminés et la façon dont les erreurs ont été estimées à partir de ces ajustements sont expliqués dans la fig. S7. (F) d-Spacing (avec barres d'erreur) en fonction du pourcentage de volume obtenu à partir des plages R1 et R2 et de l'ajustement linéaire. (G) Maxima RSP par rapport à la force ionique et aux couleurs structurelles observées correspondantes. (H) Diagramme CIE (Commission Internationale de l'Elcairage) des couleurs du premier ordre. (I) Effet des arrière-plans sombres et blancs, respectivement. Crédit :Progrès scientifiques .
Couleurs structurelles non irisées à partir de DBL d'argile nématique. (A) Couleurs structurelles à différents angles (5° et 30°). (B) Esquisse de l'ordre structurel qui donnerait des couleurs irisées et esquisse des facteurs possibles de désordre qui, en combinaison, peuvent expliquer la couleur de non-irisation observée. Crédit :Progrès scientifiques .
Optimisation de la technique pour les applications industrielles
La double couche présentait deux changements de couleur structurels différents, où l'indice de réfraction effectif pouvait être déterminé à l'aide de la diffusion des rayons X aux petits angles et des données du spectrophotomètre réfléchissant. Étant donné que les interactions électrostatiques régissaient la séparation des nanofeuilles, les couleurs pouvaient être ajustées en faisant varier la force ionique.
Par exemple, en augmentant la force ionique d'une solution à double couche rouge, l'équipe a pu décaler vers le bleu la couleur structurelle en raison d'une diminution de la séparation des nanofeuilles, en raison de l'augmentation du criblage électrostatique. Au cours de l'étude, tous les échantillons sont apparus de manière inattendue non irisés à l'œil. Après une inspection minutieuse, ils ont remarqué de légères différences dans la luminosité des couleurs en fonction de l'angle de vue. La non-irisation des solutions d'argiles nématiques résulte d'une combinaison de désordres locaux relatifs à la flexion et au froissement des nanofeuillets et à l'organisation turbostratique dans le plan des nanofeuillets.
Michels-Brito et al. ont étudié les échantillons dans des cuvettes en quartz à espace fixe où des échantillons scellés assis « sur le bureau » pendant plus de quatre à cinq jours ont montré une certaine irisation. Pour les échantillons préparés en solution saline, ces temps de dégradation étaient plus courts de l'ordre de deux jours en raison de la sédimentation des solutions qui modifiait les couleurs. L'équipe a rapidement récupéré les couleurs en secouant doucement les cuvettes. Ces échelles de temps de deux à cinq jours ont fourni des intervalles suffisants pour fixer la nature non iridescente des couleurs structurelles dans une matrice transparente pour le traitement industriel ultérieur rouleau à rouleau pour la fabrication de pigments. Les films peuvent être réduits en épaisseur en dessous de 1 mm pour former des couleurs dans des solutions de 200 µm d'épaisseur.
Structure Na-Fluorohectorite. Les sites octaédriques orange (sphère rose) contiennent du magnésium partiellement substitué par du lithium. La feuille octaédrique est prise en sandwich entre les feuilles tétraédriques bleues. Les sites tétraédriques (sphères bleu foncé) contiennent du silicium. Les sphères bleu clair sont du fluor et les sphères rouges sont de l'oxygène. Les sphères vertes sont les cations intercouches, typiquement Na+ issus de la synthèse. Crédit :Progrès scientifiques .
Perspectives
Ainsi, Paulo H. Michels-Brito et al. a présenté un système qui tenait compte de la durabilité et de l'abondance des minéraux argileux pour des applications à grande échelle dans divers domaines allant des pigments dans les cosmétiques aux soins de santé, en passant par les fenêtres et les carreaux. Les résultats de cette étude sur les argiles synthétiques peuvent être transposés aux argiles naturelles, où la vermiculite se présente comme le candidat le plus approprié pour faire évoluer le concept.
L'équipe envisage d'inclure des nanofeuilles d'argile exfoliée en petites quantités dans des matrices polymères, y compris des biopolymères biodégradables et des matrices d'hydrogel pour une amélioration structurelle afin d'ajuster la résistance mécanique et la stabilité des composites résultants. Les résultats ont un impact important dans les applications cosmétiques et de soins personnels pour former des formules plus durables et recyclables, afin d'atteindre également les objectifs d'une économie circulaire.
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