Les ingénieurs réutilisent le 19ème

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Imaginez étirer un morceau de film pour révéler un message caché. Ou vérifier la couleur d'un brassard pour évaluer la masse musculaire. Ou porter un maillot de bain qui change de teinte au fur et à mesure que vous faites des tours. De tels matériaux de type caméléon et aux couleurs changeantes pourraient être à l'horizon, grâce à une technique photographique qui a été ressuscitée et réutilisée par les ingénieurs du MIT.

En appliquant une technique de photographie couleur du XIXe siècle à des matériaux holographiques modernes, une équipe du MIT a imprimé des images à grande échelle sur des matériaux élastiques qui, lorsqu'ils sont étirés, peuvent transformer leur couleur, reflétant différentes longueurs d'onde lorsque le matériau est tendu.

Les chercheurs ont produit des films extensibles imprimés avec des bouquets de fleurs détaillés qui se transforment de teintes chaudes en nuances plus froides lorsque les films sont étirés. Ils ont également imprimé des films qui révèlent l'empreinte d'objets tels qu'une fraise, une pièce de monnaie et une empreinte digitale.

Les résultats de l'équipe fournissent la première technique de fabrication évolutive pour produire des matériaux détaillés à grande échelle avec une "couleur structurelle" - une couleur qui résulte de la structure microscopique d'un matériau, plutôt que d'additifs chimiques ou de colorants.

"La mise à l'échelle de ces matériaux n'est pas anodine, car vous devez contrôler ces structures à l'échelle nanométrique", explique Benjamin Miller, étudiant diplômé du département de génie mécanique du MIT. "Maintenant que nous avons franchi cet obstacle de mise à l'échelle, nous pouvons explorer des questions telles que : pouvons-nous utiliser ce matériau pour créer une peau robotique qui a un sens du toucher semblable à celui d'un humain ? Et pouvons-nous créer des dispositifs de détection tactile pour des choses comme la réalité augmentée virtuelle ou la formation médicale ? C'est un grand espace que nous examinons maintenant."

Les résultats de l'équipe paraissent aujourd'hui dans Nature Materials. Les co-auteurs de Miller sont Helen Liu, étudiant de premier cycle au MIT, et Mathias Kolle, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.

Hasard d'hologramme

Le groupe de Kolle développe des matériaux optiques inspirés de la nature. Les chercheurs ont étudié les propriétés de réflexion de la lumière dans les coquilles de mollusques, les ailes de papillon et d'autres organismes irisés, qui semblent miroiter et changer de couleur en raison des structures de surface microscopiques. Ces structures sont inclinées et superposées pour refléter la lumière comme des miroirs colorés miniatures, ou ce que les ingénieurs appellent des réflecteurs de Bragg.

Des groupes, dont celui de Kolle, ont cherché à reproduire cette couleur naturelle et structurelle dans des matériaux en utilisant diverses techniques. Certains efforts ont produit de petits échantillons avec des structures nanométriques précises, tandis que d'autres ont généré des échantillons plus grands, mais avec moins de précision optique.

Comme l'écrit l'équipe, "une approche qui offre à la fois [contrôle et évolutivité à l'échelle microscopique] reste insaisissable, malgré plusieurs applications potentielles à fort impact".

Alors qu'il se demandait comment résoudre ce défi, Miller visita par hasard le musée du MIT, où un conservateur lui parla d'une exposition sur l'holographie, une technique qui produit des images tridimensionnelles en superposant deux faisceaux lumineux sur un matériau physique.

"J'ai réalisé que ce qu'ils font en holographie est un peu la même chose que la nature fait avec la couleur structurelle", dit Miller.

Cette visite l'a incité à se renseigner sur l'holographie et son histoire, ce qui l'a ramené à la fin des années 1800, et à la photographie Lippmann - une des premières techniques de photographie couleur inventée par le physicien franco-luxembourgeois Gabriel Lippmann, qui a ensuite remporté le prix Nobel de physique pour la technique.

Lippmann a généré des photos couleur en plaçant d'abord un miroir derrière une émulsion transparente très fine - un matériau qu'il a concocté à partir de minuscules grains sensibles à la lumière. Il a exposé la configuration à un faisceau de lumière, que le miroir a renvoyé à travers l'émulsion. L'interférence des ondes lumineuses entrantes et sortantes a stimulé les grains de l'émulsion à reconfigurer leur position, comme de nombreux miroirs minuscules, et à refléter le motif et la longueur d'onde de la lumière d'exposition.

En utilisant cette technique, Lippmann a projeté des images structurellement colorées de fleurs et d'autres scènes sur ses émulsions, bien que le processus ait été laborieux. Cela impliquait de fabriquer les émulsions à la main et d'attendre des jours que le matériau soit suffisamment exposé à la lumière. En raison de ces limitations, la technique s'est largement estompée dans l'histoire.

Une touche moderne

Miller s'est demandé si, associée à des matériaux holographiques modernes, la photographie de Lippmann pouvait être accélérée pour produire des matériaux à grande échelle et structurellement colorés. Comme les émulsions de Lippmann, les matériaux holographiques actuels sont constitués de molécules photosensibles qui, lorsqu'elles sont exposées aux photons entrants, peuvent se réticuler pour former des miroirs colorés.

"Les chimies de ces matériaux holographiques modernes sont maintenant si réactives qu'il est possible de faire cette technique sur une courte échelle de temps simplement avec un projecteur", note Kolle.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe a collé un film holographique élastique et transparent sur une surface réfléchissante semblable à un miroir (dans ce cas, une feuille d'aluminium). Les chercheurs ont ensuite placé un projecteur standard à plusieurs mètres du film et ont projeté des images sur chaque échantillon, y compris des bouquets à la Lippman.

Comme ils le soupçonnaient, les films produisaient de grandes images détaillées en quelques minutes, plutôt qu'en quelques jours, reproduisant de manière vivante les couleurs des images originales.

Ils ont ensuite décollé le film du miroir et l'ont collé sur un support en silicone élastique noir pour le soutenir. Ils ont étiré le film et observé que les couleurs changeaient - une conséquence de la couleur structurelle du matériau : lorsque le matériau s'étire et s'amincit, ses structures à l'échelle nanométrique se reconfigurent pour refléter des longueurs d'onde légèrement différentes, par exemple en passant du rouge au bleu.

L'équipe a découvert que la couleur du film est très sensible à la tension. Après avoir réalisé un film entièrement rouge, ils l'ont collé sur un support en silicone d'épaisseur variable. Là où le support était le plus mince, le film restait rouge, tandis que les sections plus épaisses tendaient le film, le faisant virer au bleu.

De même, ils ont découvert que le fait de presser divers objets dans des échantillons de film rouge laissait des empreintes vertes détaillées, causées, par exemple, par les graines d'une fraise et les rides d'une empreinte digitale.

Fait intéressant, ils pouvaient également projeter des images cachées, en inclinant le film à un angle par rapport à la lumière entrante lors de la création des miroirs colorés. Cette inclinaison a essentiellement amené les nanostructures du matériau à réfléchir un spectre de lumière décalé vers le rouge. Par exemple, la lumière verte utilisée pendant l'exposition et le développement du matériau conduirait à la réflexion de la lumière rouge, et l'exposition à la lumière rouge donnerait des structures qui réfléchissent l'infrarouge - une longueur d'onde qui n'est pas visible pour les humains. Lorsque le matériau est étiré, cette image autrement invisible change de couleur pour se révéler en rouge.

"Vous pourriez encoder des messages de cette manière", explique Kolle.

Dans l'ensemble, la technique de l'équipe est la première à permettre la projection à grande échelle de matériaux détaillés et structurellement colorés.

"La beauté de ce travail réside dans le fait qu'ils ont développé un moyen simple mais extrêmement efficace de produire des structures photoniques de grande surface", explique Sylvia Vignolini, professeur de chimie et de biomatériaux à l'Université de Cambridge, qui n'a pas participé à l'étude. "Cette technique pourrait changer la donne pour les revêtements et les emballages, ainsi que pour les vêtements."

En effet, Kolle note que les nouveaux matériaux aux couleurs changeantes s'intègrent facilement dans les textiles.

"Les matériaux de Lippmann ne lui auraient même pas permis de produire un Speedo", dit-il. "Maintenant, nous pourrions faire un justaucorps complet."

Au-delà de la mode et des textiles, l'équipe explore des applications telles que les bandages à changement de couleur, à utiliser pour surveiller les niveaux de pression des bandages lors du traitement d'affections telles que les ulcères veineux et certains troubles lymphatiques.

Cette recherche a été soutenue, en partie, par le Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation au Brigham and Women's Hospital, la National Science Foundation, le MIT Deshpande Center for Technological Innovation, Samsung et le fonds d'amorçage MIT ME MathWorks.

Des chercheurs du MIT ont "créé un matériau extensible à changement de couleur basé sur la façon dont la nature reflète souvent la couleur", rapporte Nicole Estaphan pour WCVB's Chronicle. "Au fur et à mesure que vous l'étirez, ces nanostructures intégrées changent de taille", explique l'étudiant diplômé Benjamin Miller, "ce qui à son tour modifie la couleur de la lumière qui revient. Nous créons une version élastique et spongieuse du genre de chose que vous trouvez dans la nature."

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