La photographie montre trois flacons contenant un ensemble de particules CNC photoniques dispersées dans trois solvants différents : eau, eau : éthanol et éthanol. Les particules sont les mêmes dans les trois flacons, la différence de couleur entre les trois flacons résulte de la capacité de l’eau à gonfler la structure des particules. Une teneur en eau plus élevée signifie un gonflement plus important des structures cholestériques et un décalage vers le rouge de la couleur des particules. Crédit : Benjamin Draguet
Glitter est le fléau de tous les parents et enseignants du primaire. Mais au-delà de son facteur de gêne général, il est également composé de matériaux toxiques et non durables, et contribue à la pollution plastique.
Maintenant, des chercheurs de l’Université de Cambridge ont trouvé un moyen de fabriquer des paillettes durables, non toxiques, végétaliennes et biodégradables à partir de cellulose – le principal élément constitutif des parois cellulaires des plantes, des fruits et des légumes – et c’est tout aussi brillant que le original.
Les paillettes sont fabriquées à partir de nanocristaux de cellulose, qui peuvent courber la lumière de manière à créer des couleurs vives grâce à un processus appelé couleur structurelle. Le même phénomène produit certaines des couleurs les plus vives de la nature – telles que celles des ailes de papillon et des plumes de paon – et donne des teintes qui ne s’estompent pas, même après un siècle.
La photographie est un gros plan de la lame de verre recouverte de paillettes d’or avec un contraste d’éclairage élevé et observée sous un angle plus large. Crédit : Benjamin Drouguet
En utilisant des techniques d’auto-assemblage qui permettent à la cellulose de produire des films intensément colorés, les chercheurs affirment que leurs matériaux pourraient être utilisés pour remplacer les particules de paillettes de plastique et les minuscules pigments à effet minéraux qui sont largement utilisés dans les cosmétiques. En Europe, l’industrie cosmétique utilise environ 5 500 tonnes de microplastiques chaque année.
Les films de nanocristaux de cellulose préparés par l’équipe peuvent être fabriqués à grande échelle en utilisant des procédés rouleau à rouleau comme ceux utilisés pour fabriquer du papier à partir de pâte de bois, et c’est la première fois que ces matériaux sont fabriqués à l’échelle industrielle. Les résultats sont publiés dans le journal Matériaux naturels.
“Les pigments conventionnels, comme vos paillettes de tous les jours, ne sont pas produits de manière durable”, a déclaré le professeur Silvia Vignolini du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, auteur principal de l’article. « Ils pénètrent dans le sol, l’océan et contribuent à un niveau global de pollution. Les consommateurs commencent à se rendre compte que si les paillettes sont amusantes, elles ont également de réels dommages environnementaux. »
La photographie montre un film de nanocristal de cellulose qui a été décollé avec succès de son substrat, sur un fond noir. Crédit : Benjamin Drouguet
Depuis de nombreuses années, le groupe de recherche de Vignolini extrait la cellulose de la pâte de bois et la transforme en matériaux brillants et colorés, qui pourraient être utilisés pour remplacer les pigments toxiques utilisés dans de nombreux produits de consommation, tels que les peintures et les cosmétiques.
« Le défi a été de savoir comment contrôler les conditions afin que nous puissions gérer toutes les interactions physico-chimiques simultanément, de l’échelle nanométrique jusqu’à plusieurs mètres, afin que nous puissions produire ces matériaux à grande échelle », a déclaré le premier auteur Benjamin Droguet, également du Département de Chimie.
En optimisant soigneusement la solution cellulosique et les paramètres de revêtement, l’équipe de recherche a pu contrôler entièrement le processus d’auto-assemblage, de sorte que le matériau puisse être fabriqué sur une machine roll-to-roll. Leur procédé est compatible avec les machines existantes à l’échelle industrielle. En utilisant des matériaux cellulosiques disponibles dans le commerce transformés en suspension liquide appropriée en quelques étapes seulement, l’équipe a montré un dépôt et un séchage continus de la suspension contenant de la cellulose sur une machine commerciale rouleau à rouleau.
Après avoir produit les films de cellulose à grande échelle, les chercheurs les ont broyés en particules de la taille utilisée pour fabriquer des paillettes ou des pigments à effets. Les particules résultantes sont biodégradables, sans plastique et non toxiques. La démonstration du processus de fabrication sur un équipement commercial est une étape importante vers la mise à disposition du nouveau matériau en dehors du laboratoire.
De plus, le procédé est beaucoup moins énergivore que les méthodes conventionnelles. Lorsqu’elles n’utilisent pas de polymères synthétiques, les entreprises utilisent souvent du mica et du dioxyde de titane combinés en un pigment à effet. Cependant, le dioxyde de titane a récemment été interdit dans l’UE pour les applications alimentaires en raison de ses effets cancérigènes potentiels, tandis que l’extraction du mica a souvent lieu dans les pays en développement qui peuvent dépendre de pratiques d’exploitation, y compris le travail des enfants.
« Traditionnellement, les minéraux de pigment à effet doivent être chauffés à des températures pouvant atteindre 800 °C pour former des particules de pigment. Quand on considère la quantité de pigments à effet minéraux qui est produite dans le monde, on se rend compte que leur utilisation est nocive pour la planète », a déclaré Droguet.
“Nous pensons que ce produit pourrait révolutionner l’industrie cosmétique en fournissant un pigment et des paillettes entièrement durables, biodégradables et végétaliens”, a déclaré Vignolini.
Bien qu’une optimisation supplémentaire du processus soit encore nécessaire, les chercheurs espèrent former une entreprise dérivée pour commercialiser leurs pigments et leurs paillettes dans les années à venir.
Mais leurs paillettes seront-elles aussi ennuyeuses que les paillettes conventionnelles pour quiconque a déjà réalisé un projet d’artisanat avec de jeunes enfants ?
“Ce sera tout aussi ennuyeux – mais cela ne nuira pas à la planète et est sans danger pour vos petits”, a déclaré Vignolini.
Référence : « Fabrication à grande échelle de films de nanocristaux de cellulose structurellement colorés et de pigments à effet » par Benjamin E. Droguet, Hsin-Ling Liang, Bruno Frka-Petesic, Richard M. Parker, Michael FL De Volder, Jeremy J. Baumberg et Silvia Vignolini , 11 novembre 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-01135-8
La recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche et le Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques (EPSRC).
