Une nouvelle façon de créer de la couleur utilise la diffusion de la lumière de longueurs d’onde spécifiques autour de minuscules cristaux de silicium presque parfaitement ronds. Ce développement de l'Université de Kobe permet des couleurs structurelles qui ne se décolorent pas, qui ne dépendent pas de l'angle de vue et qui peuvent être imprimées. Le matériau a un faible impact environnemental et biologique et peut être appliqué en une couche extrêmement fine, promettant des améliorations significatives en termes de poids par rapport aux peintures conventionnelles.
Un objet a une couleur lorsque la lumière d’une longueur d’onde spécifique est réfléchie. Avec les pigments traditionnels, cela se produit lorsque les molécules absorbent d'autres couleurs de la lumière blanche, mais avec le temps, cette interaction provoque la dégradation des molécules et la décoloration.
Les couleurs structurelles, en revanche, apparaissent généralement lorsque la lumière est réfléchie par des nanostructures parallèles séparées juste à la bonne distance de sorte que seule la lumière de certaines longueurs d'onde survit tandis que d'autres sont annulées, reflétant uniquement la couleur que nous voyons.
Ce phénomène peut être observé sur les ailes des papillons ou sur les plumes des paons, et présente l'avantage que les couleurs ne se dégradent pas. Mais d'un point de vue industriel, des nanostructures bien disposées ne peuvent pas être peintes ou imprimées facilement, et la couleur dépend de l'angle de vue, ce qui rend le matériau irisé.
Les ingénieurs matériaux de l'Université de Kobe, Fujii Minoru et Sugimoto Hiroshi, ont développé une toute nouvelle approche pour produire des couleurs.
Ils expliquent :« Lors de travaux antérieurs depuis 2020, nous avons été les premiers à parvenir à un contrôle précis de la taille des particules et à développer des suspensions colloïdales de nanoparticules de silicium sphériques et cristallines. Ces nanoparticules de silicium uniques diffusent la lumière dans des couleurs vives par le phénomène de « résonance Mie », qui nous permet de développer des encres de couleurs structurelles."
Avec la résonance Mie, les particules sphériques d'une taille comparable à la longueur d'onde de la lumière réfléchissent particulièrement fortement des longueurs d'onde spécifiques. Cela signifie que la couleur qui revient principalement de la suspension peut être contrôlée simplement en faisant varier la taille des particules.
Dans leurs travaux publiés dans la revue ACS Applied Nano Materials , Fujii et Sugimoto démontrent que la suspension peut être appliquée sur des surfaces et recouvrira ainsi le matériau sous-jacent d'une forme de couleur structurelle qui ne dépend pas de l'angle de vue.
En effet, la couleur n'est pas produite par l'interaction de la lumière réfléchie par des structures voisines comme avec les couleurs structurelles « traditionnelles », mais par sa diffusion très efficace autour des nanosphères individuelles. Sugimoto explique un autre avantage :« Une seule couche de nanoparticules de silicium peu distribuées, d'une épaisseur de seulement 100 à 200 nanomètres, présente des couleurs vives mais pèse moins d'un demi-gramme par mètre carré. Cela fait de nos nanosphères de silicium l'une des couches de couleur les plus légères au monde. monde."
L’équipe de l’Université de Kobe a utilisé des simulations informatiques pour explorer les propriétés de l’encre dans différentes circonstances, par exemple en faisant varier la taille des particules et la distance qui les sépare, puis a confirmé leurs résultats expérimentalement. Ils ont découvert que, contrairement à l'intuition, la réflectance était la plus élevée lorsque les particules individuelles étaient séparées plutôt que lorsqu'elles étaient étroitement emballées.
Les auteurs expliquent :« Cette réflectance élevée malgré une faible couverture de la surface par les nanosphères est due à la très grande efficacité de diffusion. L’exigence d’une très petite quantité de cristaux de silicium pour la coloration est un avantage dans l’application en tant que pigment coloré. »
Après de nouveaux développements et perfectionnements, ils s’attendent à des applications intéressantes de leur technologie. Sugimoto explique :« Nous pouvons l'appliquer au revêtement, par exemple, des avions. Les pigments et les revêtements d'un avion pèsent plusieurs centaines de kilogrammes. Si nous utilisons notre encre à base de nanosphères, nous pourrions peut-être réduire le poids à moins de 10 % de celui-ci."
Plus d'informations : Monocouche de nanosphères de silicium résonantes Mie pour la coloration structurelle, Nanomatériaux appliqués par ACS (2024). DOI :10.1021/acsanm.3c04689
Fourni par l'Université de Kobe
