Un nouveau matériau change de couleur et de texture comme une pieuvre

La pieuvre et la seiche sont des maîtres du déguisement. De nombreuses espèces peuvent changer rapidement à la fois la couleur et la texture de leur peau – une capacité que les scientifiques cherchent depuis longtemps à reproduire avec des matériaux synthétiques. Dans un article publié le 7 janvier dans Nature, des chercheurs de Stanford ont franchi une étape importante vers cet objectif avec un nouveau matériau flexible qui peut gonfler en différentes textures et couleurs en quelques secondes, créant des motifs avec une résolution plus fine qu’un cheveu humain.

« Les textures sont cruciales pour la façon dont nous percevons les objets, à la fois visuellement et au toucher », explique Siddharth Doshi, doctorant en science et génie des matériaux à Stanford et premier auteur de l’article. « Ces animaux peuvent physiquement changer leur corps à une échelle proche du micron, et nous pouvons désormais contrôler dynamiquement la topographie d’un matériau – et les propriétés visuelles qui y sont liées – à cette même échelle. »

Ces travaux pourraient conduire à un camouflage dynamique plus efficace, tant pour les humains que pour les systèmes robotiques, et pourraient aider à créer des écrans flexibles et changeant de couleur pour les technologies portables. Ils ouvrent également de nouvelles opportunités dans le domaine de la nanophotonique, qui utilise la manipulation précise de la lumière et de l’optique pour des avancées en électronique, cryptographie, biologie et autres domaines.

« Il n’existe tout simplement aucun autre système qui puisse être aussi souple et gonflable, et que l’on puisse structurer à l’échelle nanométrique », affirme Nicholas Melosh, professeur de science et génie des matériaux et auteur principal de l’article. « On peut imaginer toutes sortes d’applications différentes. »

Motifs précis et réversibles

Pour créer des textures dynamiques dans un matériau flexible, les chercheurs ont combiné une technique de structuration appelée lithographie par faisceau d’électrons, généralement utilisée dans la fabrication avancée de semi-conducteurs, avec un film polymère qui gonfle en absorbant de l’eau. En projetant un faisceau d’électrons sur le film, ils ont pu ajuster le gonflement de certaines zones du matériau, créant des motifs détaillés qui ne se révèlent que lorsque le film est humide.

La découverte qu’un faisceau d’électrons pouvait changer l’absorption du polymère et créer des motifs de couleurs et de textures différentes est venue initialement comme une surprise. Lors d’un projet antérieur, Doshi avait utilisé un microscope électronique à balayage – qui utilise un faisceau d’électrons focalisé pour créer une image haute résolution – pour examiner des nanostructures créées par l’équipe sur un film polymère. Habituellement, ces échantillons sont jetés après imagerie, mais Doshi a décidé de les réutiliser au lieu d’en créer de nouveaux. Dans les tests suivants, les régions du film ayant été imagées avec le microscope électronique à balayage se sont comportées différemment et ont changé de couleur.

« Nous avons réalisé que nous pouvions utiliser ces faisceaux d’électrons pour contrôler la topographie à des échelles très fines », ajoute Doshi. « C’était définitivement une découverte fortuite. »

La structuration par faisceau d’électrons est si précise que l’équipe a pu créer une réplique à l’échelle nanométrique de la formation rocheuse El Capitan du parc national de Yosemite. À sec, le film est parfaitement plat, mais dès que l’eau est ajoutée, la forme du monolithe émerge de la surface. Ils ont également façonné des textures à fine échelle qui modifient la diffusion de la lumière en fonction de la quantité d’eau ajoutée au film. Cela a permis aux chercheurs de créer des finitions de surface allant du brillant au mat, produisant une apparence plus réaliste que ce dont sont actuellement capables les écrans de smartphones ou d’ordinateurs. Tous les films peuvent facilement retrouver leur état plat en ajoutant un solvant de type alcool pour éliminer l’eau.

Il n’existe tout simplement aucun autre système qui puisse être aussi souple et gonflable, et que l’on puisse structurer à l’échelle nanométrique. On peut imaginer toutes sortes d’applications différentes. – Nicholas Melosh, professeur de science et génie des matériaux

L’équipe a démontré que la même technique peut être utilisée pour concevoir et révéler des motifs de couleurs complexes et commutables. Les chercheurs ont placé des couches métalliques minces de chaque côté du film polymère structuré pour créer des résonateurs Fabry-Pérot, qui isolent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière en fonction de la distance entre les couches métalliques. Lorsque les films polymères gonflent à différentes largeurs, ils affichent une variété de couleurs. Avec la même structuration par faisceau d’électrons et le bon mélange d’eau et de solvant, la feuille monochrome devient un foisonnement de taches et de marbrures colorées.

« En contrôlant dynamiquement l’épaisseur et la topographie d’un film polymère, on peut réaliser une très grande variété de couleurs et de textures magnifiques », souligne Mark Brongersma, professeur de science et génie des matériaux et auteur principal de l’article. « L’introduction de matériaux souples qui peuvent se dilater, se contracter et modifier leur forme ouvre une boîte à outils entièrement nouvelle dans le monde de l’optique pour manipuler l’apparence des choses. »

Possibilités dynamiques

Lorsque les chercheurs ont combiné différents films en un dispositif multicouche, ils ont pu manipuler indépendamment la couleur et la texture en même temps, se camouflant avec un motif d’arrière-plan presque aussi habilement qu’une pieuvre (bien non sans quelques essais et erreurs).

Actuellement, pour que les films correspondent avec précision à un motif d’arrière-plan, les chercheurs doivent ajuster manuellement la combinaison d’eau et de solvant pour obtenir la topographie et les couleurs souhaitées. À l’avenir, l’équipe espère intégrer un système de vision par ordinateur, capable d’ajuster automatiquement le niveau de gonflement pour fusionner les films avec divers arrière-plans.

« Nous voulons pouvoir contrôler cela avec des réseaux neuronaux – essentiellement un système basé sur l’IA – qui pourrait comparer la peau et son arrière-plan, puis la moduler automatiquement pour correspondre en temps réel, sans intervention humaine », précise Doshi.

Les chercheurs s’intéressent également à des applications au-delà du camouflage visuel. De fines modifications de texture pourraient, par exemple, être utilisées pour augmenter ou diminuer la friction, ce qui pourrait aider à déterminer si un petit robot adhère à une surface ou glisse dessus. Les structures à l’échelle nanométrique peuvent modifier la réponse des cellules, de sorte que ces techniques pourraient également avoir des utilisations en bio-ingénierie. Ils travaillent même avec des artistes de Stanford pour créer une exposition utilisant ces matériaux comme médium artistique.

« De petits changements dans les propriétés des matériaux souples sur des distances micrométriques sont enfin possibles, ce qui ouvrira toutes sortes de possibilités », conclut Melosh. « Je pense qu’il y a beaucoup de choses passionnantes à venir. »

Article : Soft photonic skins with dynamic texture and colour control – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : Stanford U.