Le plumage éclatant des oiseaux est souvent un régal pour les yeux, mais cela constitue un casse-tête pour les scientifiques qui ont eu du mal à recréer les nanostructures photoniques qui génèrent ces couleurs en laboratoire.

Une partie du défi consiste à développer des structures à l'échelle inconfortable de quelques centaines de nanomètres :trop grandes pour la chimie moléculaire, mais trop petites pour une fabrication directe.

Une équipe dirigée par Eric Dufresne, professeur titulaire de nominations conjointes au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Cornell Engineering et au Département de physique du Collège des arts et des sciences, a développé une méthode pour concevoir efficacement ces nanostructures complexes grâce à une forme de séparation des phases :un processus semblable à la façon dont l'eau et l'huile se découplent dans une vinaigrette.

Les matériaux résultants pourraient s'avérer utiles dans diverses applications, de la fabrication de pigments durables au stockage d'énergie et à la filtration.

L'article de l'équipe, "Elastic Microphase Separation Produces Robust Bicontinuous Materials", publié dans Nature Materials . L'auteur principal est Carla Fernández-Rico, chercheuse postdoctorale à l'ETH Zurich.

Depuis des années, Dufresne trouve son inspiration dans le monde naturel. En étudiant le fonctionnement interne des systèmes vivants tels que les oiseaux et les insectes, il cherche à découvrir de nouveaux mécanismes physiques qui pourraient éclairer la conception de matériaux synthétiques fonctionnels.

Pour leur dernier projet, l'équipe de Dufresne a entrepris de créer un matériau « bicontinu », qu'il décrit comme contenant deux « réseaux interpénétrés fous » – le caoutchouc et le pétrole – qui sont parfaitement entrelacés dans une structure précisément définie, sans pour autant sacrifier leur propre identité ou caractéristiques.

"Dans une éponge, fluide et solide s'entrelacent", a déclaré Dufresne. "Ensemble, ils peuvent faire plus que la somme de leurs parties. Réunir deux matériaux de manière similaire à l'échelle nanométrique peut débloquer de nouvelles fonctionnalités, mais présente toutes sortes de défis."

Dans le passé, les scientifiques des matériaux se concentraient sur deux approches pour fabriquer des nanostructures bicontinues :l'auto-assemblage et la séparation de phases.

"Soit vous commencez avec des blocs de construction de la taille que vous recherchez et vous les assemblez. Soit vous prenez un mélange de molécules qui ne s'aiment pas, comme l'huile et l'eau. Elles se séparent d'elles-mêmes, mais c'est difficile. pour contrôler la taille des structures qu'ils réalisent", a déclaré Dufresne. "Nous voulions avoir tout le contrôle que vous obtenez avec la méthode d'assemblage, tout en conservant la simplicité et le faible coût de la méthode de séparation."

Dans leur nouvel article, l'équipe de Dufresne présente une stratégie appelée Elastic MicroPhase Separation (EMPS). L’expérience initiale était résolument low-tech. Ils ont immergé un morceau de caoutchouc de silicone – c’est-à-dire « la matrice élastique » – dans un bain d’huile fluorée – essentiellement du téflon liquide – et l’ont chauffé dans un four à 60 degrés Celsius. Une fois l'huile absorbée par le caoutchouc au bout de quelques jours, les chercheurs l'ont laissée refroidir à température ambiante.

"À température ambiante, l'huile et le caoutchouc n'aiment pas être au même endroit. Et ils créent cette structure incroyablement complexe", a déclaré Dufresne. "Le fait d'héberger le processus de séparation à l'intérieur du caoutchouc empêche l'huile séparée de former un gros morceau, comme dans une vinaigrette."

Le véritable défi consistait à mesurer et à interpréter leurs résultats. Les nanostructures étaient à peine visibles au microscope optique normal, mais le matériau était trop « spongieux » pour un microscope électronique. L'équipe s'est tournée vers la microscopie à fluorescence 3D, qui a révélé qu'elle avait réussi à créer un matériau bicontinu à la taille souhaitée.

Même si les chercheurs sont enthousiasmés par les possibilités de leur nouvelle approche, ils ne savent toujours pas vraiment comment elle fonctionne.

"Nous pouvons donner de nombreuses raisons pour lesquelles cela n'aurait pas dû fonctionner, mais cela a fonctionné", a déclaré Dufresne. "C'est pourquoi il ne s'agit pas seulement d'une contribution passionnante en ingénierie, c'est aussi une chose passionnante en physique, parce que nous ne savons pas vraiment quel est le mécanisme réel. Nous savons que nous pouvons obtenir une gamme de différents types de structures, que nous pouvons ajuster en modifiant les différents types de caoutchouc de silicone. Nous essayons donc de comprendre pourquoi et quelles sont ses limites. Pouvons-nous rendre les choses beaucoup plus petites ? C'était vraiment juste une preuve de concept. Maintenant, nous voulons utiliser les mêmes idées ? pour structurer une gamme plus large de matériaux pour des applications potentiellement utiles. "

Plus d'informations : Fernández-Rico, C. et al. La séparation élastique des microphases produit des matériaux bicontinus robustes, Nature Materials (2023). DOI :10.1038/s41563-023-01703-0. www.nature.com/articles/s41563-023-01703-0

Informations sur le journal : Matériaux naturels

Fourni par l'Université Cornell