Peintures en réseau

Une équipe internationale de chercheurs a développé un nouveau principe pour produire des revêtements de différentes couleurs pour les métaux. Les couleurs sont obtenues gr?ce à une structure fine spéciale du matériau de revêtement à l'échelle nanométrique. Contrairement à d'autres couleurs structurelles existantes (voir encadré), ce nouveau principe de fabrication est très facile à appliquer sur de grandes surfaces. En outre, les couleurs sont très intenses et le matériau extrêmement résistant aux rayures.

Le matériau utilisé est un matériau de conception à deux couches. La couche inférieure est un réseau métallique parsemé de minuscules cavités. Il se compose d'un alliage de platine, d'yttrium et d'aluminium. Les chercheurs ont créé les cavités par un simple processus de gravure. Sur ce "réseau de nano-éponges", les scientifiques ont appliqué une très fine couche d'oxyde.

La couleur dépend de l'épaisseur de la couche

Il est intéressant de noter que l'impression de couleur qui en résulte dépend de l'épaisseur de cette couche d'oxyde d'aluminium : une couche de 12 nanomètres rend le matériau verd?tre, une couche de 24 nanomètres le rend jaune, une couche de 28 nanomètres le rend orange, une couche de 48 nanomètres le rend bleu et une couche de 53 nanomètres le rend violet.

"La couleur est due à l'interaction de la lumière ambiante avec les deux couches de matériaux et en particulier avec la couche limite désordonnée entre les deux matériaux", explique le physicien Henning Galinski. "Dans cette couche limite, nous pouvons capturer et concentrer de manière très ciblée la lumière de certaines longueurs d'onde". Galinski est le premier auteur de l'étude actuelle et travaille dans les laboratoires du professeur de l'ETH Ralph Spolenak et de Federico Capasso, professeur à l'université de Harvard. Le groupe d'Andrea Fratalocchi, professeur à la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) en Arabie saoudite, a contribué à l'explication théorique du principe de fonctionnement gr?ce à des simulations informatiques approfondies.

Structure de réseau chaotique

Jusqu'à présent, les couleurs structurelles ont généralement une structure qui se répète périodiquement et qui détermine l'impression de couleur. Cela présente l'inconvénient que même les plus petits défauts modifient massivement les propriétés optiques.

En revanche, les réseaux développés par Galinski et ses collègues ne suivent pas un ordre clair : les cavités du réseau, bien que de taille similaire, ne sont pas exactement de la même taille. Les propriétés physiques sont déterminées par la taille moyenne des cavités, mais pas par la taille de chacune d'entre elles.

"Notre approche est basée sur le désordre, et non sur la fabrication précise de sous-unités qui se répètent des millions de fois. C'est pourquoi notre approche est extrêmement tolérante aux erreurs", poursuit Galinski. "De plus, notre processus de gravure et de revêtement peut être appliqué à grande échelle, même sur des surfaces de plusieurs mètres carrés". Selon lui, les peintures structurées utilisées jusqu'à présent étaient généralement limitées à une échelle plus petite en raison de leur fabrication complexe et co?teuse.

Les matériaux de réseau colorés existent aussi dans la nature. Ainsi, en Amérique du Sud, on trouve des espèces d'oiseaux chez qui les réseaux de kératine sont responsables de la coloration du plumage. "Nous sommes toutefois les premiers à montrer qu'il est possible d'utiliser techniquement de tels matériaux réticulaires comme couleurs structurelles et de contr?ler ainsi l'impression de couleur", explique Galinski.

Billets de banque et avions

Les nouvelles couleurs structurées pourraient par exemple être utilisées pour des éléments de sécurité très fins dans les billets de banque ou pour colorer des carrosseries de véhicules ou d'avions, ou encore dans le domaine militaire pour des peintures de camouflage. "Mais nous considérons aussi notre système comme une plate-forme sur laquelle de nombreux développements sont possibles", explique Galinski.

Le nouveau métamatériau - c'est ainsi que les scientifiques désignent les matériaux fabriqués artificiellement avec des propriétés optiques, électriques ou magnétiques qui n'existent pas dans la nature - serait également intéressant pour les systèmes énergétiques tels que les cellules solaires à couches minces. "Nous avons développé un matériau extrêmement fin dans lequel la lumière est concentrée en des points isolés et parfaitement absorbée", explique Galinski. Cela permet de développer un piège à lumière extrêmement efficace. La concentration de la lumière est en outre largement indépendante de l'angle d'incidence de la lumière, un autre point positif pour une application dans les cellules solaires.