Des matériaux capables de tordre la lumière à 250°C

Les systèmes de propulsion des avions pourraient bientôt être observés sous un nouvel angle grâce à des feuilles composites robustes capables de tordre les faisceaux lumineux. Une équipe de chercheurs de l’Université du Michigan et du Laboratoire de Recherche de l’Armée de l’Air des États-Unis a mis au point une méthode de fabrication innovante qui ouvre la voie à de nouvelles applications dans l’optique de polarisation.

Les feuilles composites, produites par une méthode de fabrication novatrice, permettent d’envisager des applications au-delà de la conception aéronautique. En effet, elles introduisent de nouvelles classes de matériaux utilisables dans l’optique de polarisation. L’équipe a démontré une tolérance élevée aux températures, et de nouvelles propriétés mécaniques, électriques et physiques sont attendues, avec des applications potentielles dans l’énergie, les capteurs pour véhicules et robots, ainsi que l’exploration spatiale.

« Combiner plusieurs fonctionnalités dans des matériaux 2D ouvre un monde de possibilités », a déclaré Dhriti Nepal, ingénieur en matériaux de recherche senior au Laboratoire de Recherche de l’Armée de l’Air et co-auteur de l’étude publiée récemment dans Nature. « Pensez aux ailes d’un papillon, qui lui permettent de voler, de réguler sa température et de réfléchir la lumière pour produire des couleurs spécifiques. Cette technique offre de nouvelles opportunités de conception pour créer des dispositifs multifonctionnels. »

La clé : l’arrangement des nanomatériaux

La clé réside dans l’arrangement de nanomatériaux qui ne tordent pas la lumière par eux-mêmes sur des couches qui transforment les ondes lumineuses en spirales gauches ou droites, connues sous le nom de polarisations circulaires. Dans l’exemple des avions, la turbulence créée par le moteur fait tourner la lumière, qui est ensuite filtrée par le matériau pour l’imagerie. Actuellement, des dispositifs comme les écrans LCD et les peintures thermochromiques contrôlent déjà la torsion et l’orientation des ondes lumineuses à l’aide de cristaux liquides, mais ils fondent à des températures légèrement supérieures à celles ambiantes.

« Il pourrait y avoir des situations où l’on souhaite tordre la lumière en dehors des températures de fonctionnement normales des cristaux liquides. Désormais, nous pouvons fabriquer des dispositifs de polarisation de la lumière pour ces types d’environnements », a indiqué Nicholas Kotov, professeur distingué de sciences chimiques et d’ingénierie à l’Université du Michigan et auteur principal de l’étude.

Des matériaux résistants à haute température

Le nouveau matériau peut tordre la lumière à 250°C, et grâce à l’imagerie des turbulences dans les moteurs d’avion et d’autres applications, il pourrait permettre aux ingénieurs aérospatiaux d’améliorer les conceptions pour une meilleure performance de vol des avions.

« Les futurs systèmes aérospatiaux continuent de repousser les limites de la faisabilité technique. Ces matériaux optiques à faible coût offrent une modularité cruciale pour optimiser les solutions pour une large gamme de technologies futures », a ajouté Richard Vaia, scientifique en chef des matériaux et de la fabrication au Laboratoire de Recherche de l’Armée de l’Air et co-auteur de l’étude.

Un processus de fabrication innovant

Pour fabriquer les matériaux, les chercheurs ont gravé des rainures microscopiques dans une feuille de plastique et l’ont recouverte de plusieurs couches de particules plates et minuscules, d’un diamètre 10 000 fois plus petit qu’un millimètre. Ces particules ont été maintenues en place avec des couches alternées d’un adhésif moléculaire, et elles pouvaient être fabriquées à partir de tout matériau pouvant être transformé en nanoparticules plates. Pour leurs matériaux résistants à la chaleur, les chercheurs ont utilisé des matériaux céramiques appelés MXenes.

Lorsque la lumière traverse le matériau, elle se divise en deux faisceaux, l’un avec des ondes oscillant horizontalement et l’autre avec des ondes oscillant verticalement. Les ondes verticales passent plus rapidement que les ondes horizontales. En conséquence, les ondes sortent en déphasage et apparaissent comme une spirale de lumière. L’angle des rainures détermine la direction dans laquelle la lumière spirale, et des couches de nanofils d’argent peuvent aider à garantir que la lumière spirale uniquement vers la gauche ou la droite.

« Nos calculs suggèrent que les propriétés optiques ne proviennent pas des nanoplaques elles-mêmes, mais de leur orientation sur les rainures causées par notre processus de fabrication », a conclu André Farias de Moura, professeur associé de chimie à l’Université Fédérale de São Carlos et co-auteur de l’étude.

Légende illustration : Ce film composite peut faire tourner la lumière en spirale grâce à des rainures microscopiques qui déphasent les ondes lumineuses oscillant horizontalement et verticalement. Contrairement aux matériaux existants, le film conserve ses propriétés de torsion de la lumière lorsqu’il est chauffé à 250 degrés Celsius. (Image : Brenda Ahearn, Michigan Engineering)

Article : « Nano-achiral complex composites for extreme polarization optics » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07455-4