Pour concevoir ces films, l’équipe a mis au point une nouvelle technique en une seule étape, rentable et évolutive, qui consiste à évaporer le gallium métallique pour former des particules de taille nanométrique sur un substrat flexible. Leur méthode permet la fabrication simultanée de plusieurs couleurs structurelles sensibles aux stimuli mécaniques.

L'équipe a également montré comment ces films peuvent être utilisés pour diverses applications, depuis les bandages intelligents et les capteurs de mouvement jusqu'aux écrans réfléchissants.

"C'est la première fois qu'un métal liquide comme le gallium est utilisé pour la photonique", déclare Tapajyoti Das Gupta, professeur adjoint au Département d'instrumentation et de physique appliquée (IAP) et auteur correspondant de l'étude publiée dans Nature. Nanotechnologie .

Certains objets naturels comme les pierres précieuses, les coquilles de mollusques ou les plumes de paon sont intrinsèquement colorés. Leurs couleurs émergent de l'interaction de la lumière avec des micro ou nanostructures disposées périodiquement, telles que de minuscules sphères de silice dans l'opale, des plaquettes à base de carbonate de calcium dans les coquilles de mollusques et des rubans segmentés au sommet de structures cylindriques dans des plumes de paon.

Les matériaux structurellement colorés inspirés de la nature ont trouvé de nombreuses applications dans les écrans, les appareils électroniques portables, les capteurs visuels et les étiquettes anti-contrefaçon. Ces dernières années, les scientifiques ont tenté de concevoir des matériaux capables de changer de couleur en réponse à un stimulus mécanique externe.

L'équipe IISc a commencé à expérimenter le gallium, qui n'a pas été exploré pour de telles applications car sa tension superficielle élevée entrave la formation de nanoparticules. Le gallium est un métal liquide à température ambiante et il a été démontré que ses nanoparticules ont de fortes interactions avec le rayonnement électromagnétique.

Le procédé développé par l'équipe réussit la prouesse de surmonter la barrière de tension superficielle pour créer des nanoparticules de gallium, en utilisant astucieusement les propriétés d'un substrat appelé polydiméthylsiloxane (PDMS), un polymère biocompatible.

Lorsque le substrat a été étiré, les chercheurs ont remarqué quelque chose d’inhabituel. Le matériau a commencé à montrer différentes couleurs en fonction de la souche. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que l'ensemble des nanoparticules de gallium déposées interagissent avec la lumière de manière spécifique pour générer les couleurs.

Pour comprendre le rôle du substrat dans la génération des couleurs, l'équipe a développé un modèle mathématique.

Le PDMS est un polymère obtenu en mélangeant deux composants liquides, un oligomère et un agent de réticulation, qui réagissent l'un avec l'autre pour former un polymère solide. Les chercheurs ont découvert que la partie de l'oligomère n'ayant pas réagi, qui est encore à l'état liquide, jouait un rôle crucial dans la stabilisation de la formation de nanoparticules de gallium sur le substrat.

Lorsque ce substrat est ensuite étiré, les oligomères liquides s'infiltrent dans les espaces entre les nanoparticules, modifiant la taille de l'espace et leur interaction avec la lumière, entraînant le changement de coloration observé. Les expériences réalisées en laboratoire ont confirmé les prédictions du modèle. En ajustant le rapport entre la teneur en oligomères et l'agent de réticulation, les chercheurs ont obtenu une gamme de couleurs.

"Nous montrons que le substrat PDMS non seulement conserve la structure, mais joue également un rôle actif dans la détermination de la structure des nanoparticules de gallium et de la coloration qui en résulte", explique Renu Raman Sahu, Ph.D. étudiant en IAP et auteur principal. Même après 80 000 cycles d'étirement, le matériau a pu présenter un changement de couleur reproductible, indiquant sa fiabilité.

Les techniques conventionnelles telles que la lithographie utilisées pour fabriquer de tels matériaux impliquent de nombreuses étapes et sont coûteuses à mettre à l’échelle. Pour contourner ce problème, l’équipe a conçu une technique de dépôt physique en phase vapeur en une seule étape pour évaporer le gallium métallique liquide et le déposer sur le substrat PDMS. Cela leur a permis de fabriquer des films flexibles et structurellement colorés mesurant environ la moitié de la taille d'une paume.

Il existe diverses applications possibles pour de tels films. L’équipe a démontré une de ces applications :un capteur de mouvements corporels. Une bande de film, lorsqu'elle était attachée au doigt, changeait de couleur lorsque le doigt était plié, aidant ainsi à détecter le mouvement en temps réel.

Sahu déclare :"À l'avenir, ces matériaux pourraient également être utilisés pour des applications de récupération d'énergie."