Les chromatophores artificiels des chercheurs sont constitués de membranes tendues sur des cavités circulaires reliées à des pompes pneumatiques. La mise sous pression de la cavité étire la membrane, modifiant le pas du cristal liquide en forme d’hélice à l’intérieur. En corrélant la relation entre le diamètre, la pression, le pas et la couleur, les chercheurs sont capables de traiter chaque cavité comme un pixel, en changeant sa couleur pour qu’elle corresponde au motif environnant dans cette démonstration tirée de leur récente étude. Crédit : Université de Pennsylvanie
Le royaume animal regorge de créatures au camouflage actif. Ce qui ressemble à un morne tas de sable et de pierres peut en fait être un calmar aux couleurs vives, qui étend et contracte les structures de sa peau pour révéler des nuances de brun et de gris au lieu de bleu et de jaune vifs. Connues sous le nom de chromatophores, ces cellules peuvent étendre et rétracter des plaques réfléchissantes internes en réponse à des stimuli externes, permettant à l’animal d’épouser les couleurs et les motifs de son environnement, et de disparaître en un instant.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées de l’université de Pennsylvanie s’inspirent de ce type de camouflage actif. À l’aide de membranes minces et flexibles constituées d’un réseau polymère de cristaux liquides disposés en hélice, ces chercheurs ont mis au point une sorte de chromatophore artificiel capable de changer de couleur instantanément – du proche infrarouge au visible en passant par l’ultraviolet – sur commande.
Chaque chromatophore artificiel agissant comme un pixel, le prototype des chercheurs est capable de s’adapter à la couleur et à la texture environnantes pour obtenir un effet de camouflage. Crédit : Université de Pennsylvanie
Ces membranes sont situées au-dessus de minuscules cavités disposées en grille, chacune d’entre elles pouvant être gonflée pneumatiquement à une pression précise. Lorsqu’une cavité se gonfle, la membrane est étirée, ce qui réduit son épaisseur et modifie sa couleur apparente.
Il est important de noter que ces membranes n’ont pas besoin d’être beaucoup étirées pour obtenir cet effet. En exerçant une pression équivalente à un léger effleurement, leur couleur peut être changée en n’importe quel élément du spectre visible. Les matériaux de changement de couleur qui utilisent des mécanismes similaires devaient jusqu’à présent être déformés de 75 % pour passer du rouge au bleu, ce qui les rendait impossibles à utiliser dans des environnements aux dimensions fixes, comme les écrans ou les fenêtres.
Comme les chromatophores artificiels des chercheurs ont besoin de moins de 20 % de déformation pour obtenir le même effet, ils peuvent être disposés comme les pixels d’un écran LCD. Et comme les cristaux liquides en couches du système des chercheurs ont leur propre couleur réfléchissante, ils n’ont pas besoin d’être rétroéclairés et n’ont donc pas besoin d’une source d’énergie constante pour maintenir leur apparence intrinsèquement vibrante.
Shu Yang et Se-Um Kim. Crédit : Université de Pennsylvanie
Bien que les prototypes d’écrans des chercheurs ne comportent que quelques dizaines de pixels chacun, une étude démontrant le principe de leur capacité à changer de couleur souligne leur potentiel dans une variété de techniques de camouflage, ainsi que dans des applications en architecture, robotique, capteurs et autres domaines.
L’étude, publiée dans le journal Nature Materialsa été menée par Shu Yang, professeur Joseph Bordogna et président du département de science et de génie des matériaux, et Se-Um Kim, alors chercheur postdoctoral dans son laboratoire. Les membres du laboratoire de Shu Yang, Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim et Haihuan Wang, ont également contribué à cette recherche.
“Notre laboratoire s’est toujours intéressé à la couleur structurelle, et notamment à la manière de la modifier en utilisant des forces mécaniques”, déclare Yang. “Par exemple, nous avons précédemment démontré qu’un polymère changeant de couleur pouvait signaler des lésions cérébrales traumatiques chez les soldats et les athlètes. En examinant comment certains animaux ont évolué vers une couleur structurelle, nous avons réalisé qu’ils avaient des cellules extensibles qui fonctionnaient comme des pixels dans un écran et que nous pourrions potentiellement adopter une approche similaire.”
La couleur structurelle, le phénomène qui donne aux ailes des papillons et aux plumes des paons une iridescence souvent plus brillante que les couleurs à base de pigments ou de colorants, est produite lorsque la lumière interagit avec les caractéristiques microscopiques d’une surface. Dans le cas des écrans des chercheurs, ces caractéristiques se trouvent dans une catégorie de matériaux connus sous le nom d'”élastomères cristallins liquides nématiques à chaîne principale” ou MCLCE. Les cristaux liquides sont des matériaux intrinsèquement anisotropes, ce qui signifie que leurs propriétés varient en fonction de leur orientation. La forme hélicoïdale des MCLCEs permet une anisotropie importante et élastique, puisque le pas de l’hélice peut être facilementmodifié.
Lorsqu’une cavité de l’écran est gonflée, sa membrane MCLCE est étirée. Comme la compression d’un ressort, cela réduit le pas de l’hélice de cristal liquide dans la membrane, modifiant la longueur d’onde de la lumière qui est réfléchie sur l’observateur.
En déterminant la pression exacte nécessaire pour que chaque chromatophore artificiel atteigne la couleur souhaitée, les chercheurs ont pu les programmer comme les pixels d’un écran. Ce niveau de contrôle est possible même sans pompes pneumatiques distinctes pour chaque pixel.
“Je voulais générer la couleur rouge, verte et bleue simultanément en une opération simple”, explique Kim, “j’ai donc connecté des cavités de différentes largeurs au même canal d’air. Ainsi, bien que subissant la même pression, le degré de déformation et la couleur varient d’un pixel à l’autre, ce qui réduit la complexité de l’ensemble du dispositif.”
Plusieurs pixels peuvent être connectés à la même pompe à air, ce qui permet des affichages plus complexes. Crédit : Université de Pennsylvanie
En utilisant seulement deux canaux d’air, le prototype des chercheurs peut produire des motifs en damier de 7 par 5 qui correspondent à l’ombrage et à la texture d’une surface environnante. Avec sept canaux, ils peuvent restituer des chiffres dans le style des écrans couleur à sept segments que l’on trouve dans les horloges LCD.
Les chercheurs pensent que les performances mécanochromiques uniques des MCLCE inspireront la création de nouveaux dispositifs photoniques biomimétiques et de capteurs très sensibles et complexes, malgré le mécanisme relativement simple du matériau. Ils prévoient également de poursuivre la démonstration d’écrans 3D, ainsi que de fenêtres “intelligentes” qui réagissent à la température ambiante en changeant de couleur.
Référence : “Broadband and pixelated camouflage in inflating chiral nematic liquid crystalline elastomers” par Se-Um Kim, Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim, Haihuan Wang et Shu Yang, 6 septembre 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01075-3
Cette recherche a été soutenue par les donateurs de l’American Chemical Society (ACS)/Petroleum Research Fund (#573238) et la National Science Foundation (NSF) par le biais du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de l’Université de Pennsylvanie (DMR-1720530). Les auteurs reconnaissent l’utilisation de la microscopie électronique à balayage et de l’installation Dual Source and Environmental X-ray Scattering, soutenue par la NSF/MRSEC (DMR-1720530) par l’intermédiaire du Laboratory for Research on the Structure of Matter de l’université de Pennsylvanie. L’achat de l’équipement a été rendu possible par une subvention NSF MRI (17-25969), une subvention ARO DURIP (W911NF-17-1-0282), et l’Université de Pennsylvanie.
