Une « peau » artificielle qui, sous contrainte, change de couleur comme celle du caméléon

Des chercheurs de l’University of California Berkeley, à Berkeley, Californie, USA ont créé un matériau mince et flexible qui peut changer de couleur à volonté sous l’effet de faibles déformations. Il s’agit d’une membrane souple munie d’une structure nanoscopique de barreaux de silicium formant un réseau optique. Quand on tend la membrane, les écarts entre barreaux augmentent et la lumière diffractée réfléchie par ce méta-matériau est de longueur d’onde plus grande, donc déplacée vers le rouge.

Ce même mois de mars 2015, des scientifiques de l’université de Genève, en Suisse, ont publié un article où est démontré que les changements de couleur des caméléons ne sont pas dûs à des modifications chimiques de pigments mais aux variations de dimensions d’un réseau de petits cristaux, les iridophores, situés dans une couche sous la peau de ces animaux.

 

Le principe de la membrane flexible à changement de couleur

Fig.1. a) Schéma de la membrane flexible à changement de couleurs. L’affichage est composé de petits carrés qui constituent des pixels individuels d’une couleur spécifiée. Un pixel est constitué d’un réseau nano-scopique en silicium, une méta-structure qui est très souple et résistante à la déformation. L’ensemble des pixels est incorporé à une membrane souple en silicone PDMS. b) Schéma de la méta-structure unidimensionnelle utilisée. Ses propriétés optiques sont déterminées par trois paramètres, le pas, l’épaisseur tg et la largeur s de la barre de silicium. L’indice nbar du silicium est plus élevé que celui n0 du matériau souple l’enveloppant. Crédit Optica.

Fig.1.                 a) Schéma de la membrane flexible à changement de couleurs. L’affichage est composé de petits carrés qui constituent des pixels individuels d’une couleur spécifiée. Un pixel est constitué d’un réseau nanoscopique en silicium, une méta-structure qui est très souple et résistante à la déformation. L’ensemble des pixels est incorporé à une membrane souple en silicone PDMS.
                  b) Schéma de la méta-structure unidimensionnelle utilisée. Ses propriétés optiques sont déterminées par trois paramètres, le pas, l’épaisseur tg et la largeur s de la barre de silicium. L’indice nbar du silicium est plus élevé que celui n0 du matériau souple l’enveloppant. Crédit Optica. CCL.

La membrane flexible contient des méta-structures composées de barres de silicium  de taille nanoscopique alignées parallèlement  pour constituer des réseaux de diffraction.

On appelle méta-matériau un matériau fabriqué dont les propriétés électromagnétiques dérivent de sa structure plutôt que de sa composition chimique. On dit aussi qu’on a alors réalisé une méta-structure.

 

Un réseau de diffraction est un dispositif formé de fentes parallèles (réseau en transmission) ou de rayures réfléchissantes (réseau en réflexion) espacés régulièrement d’un intervalle appelé le « pas » du réseau. Si le pas est de l’ordre d’une ou plusieurs longueurs d’onde d’une lumière incidente monochromatique, on peut observer une concentration de celle-ci dans certaines directions particulières correspondant aux  différents « ordres » de diffraction. Dans le cas de lumière blanche incidente, on a une décomposition des diverses composantes de celle-ci selon des directions différentes, un peu à la manière d’un prisme.

 

Les caractéristiques géométriques des nano-barres de silicium plongées dans un milieu d’indice moins élevé sont ajustées afin que la lumière diffractée le soit avec un fort contraste dans une seule direction (le premier ordre de diffraction) . Ceci constitue un phénomène de réflexion anormale à la surface de la méta-structure comme le montre la figure suivante.

Fig.2. Simulation numérique du phénomène de réflexion anormale pour la méta-structure décrite avec une épaisseur de 180 nm et un angle d’incidence avec la normale de 32°. Crédit Optica. CCL.

Fig.2. Simulation numérique du phénomène de réflexion anormale pour la méta-structure décrite avec une épaisseur de 180 nm et un angle d’incidence avec la normale de 32°. Crédit Optica. CCL.

La fabrication des méta-structures

On forme avec de tels réseaux des éléments (pixels) de 100 µm x 100 µm. Les méta-structures de chaque pixel ont des pas Λ (voir Fig. 1 b) qui diffèrent selon la couleur, 500nm pour le vert (λ = 540 nm), 532 nm pour le jaune (λ = 570 nm) et 558 nm pour l’orange (λ = 590 nm), avec une épaisseur tg=180 nm pour ces dernières. Pour le rouge (λ = 630 nm), le pas est de 622 nm et l’épaisseur de 220 nm. Le rapport s/Λ est le même , 0,5,  pour les pixels de toutes couleurs.

Pour les fabriquer, on utilise des plaquettes de silicium sur silice isolante SiO2. Comme on l’a vu plus haut, différentes couleurs sont obtenues par variation du pas des méta-structures. On utilise les techniques de photolithographie usuelles pour obtenir des rangées de pixels. On les sépare de leur support en silice par une attaque acide et on les transfère sur une feuille de PDMS.

Le polydiméthylsiloxane —[O-Si(CH3)2]n—, ou poly(diméthylsiloxane) est appelé communément PDMS. C’est un polymère organo-minéral de la famille des siloxanes dont les polymères sont appelés silicones.

Une seconde feuille de PDMS permet d’encapsuler le tout. L’échantillon ainsi obtenu a une épaisseur de 1 mm. Chaque pixel mesure 100 µm x 100 µm.

Fig.3. a)Schéma des principaux stades de la fabrication. 1. Attaque de la méta-structure de silicium à travers un masque de SiO2. L’insert montre la section transverse du profil d’attaque. 2. Séparation de la méta-structure du substrat par attaque à la vapeur d’acide fluorhydrique. 3. Transfert de la structure en Si sur la membrane en PDMS. 4. Encapsulation de l'échantillon flexible dans le PDMS. b) Image au microscope électronique à balayage (MEB) de la méta-structure en silicium sur l’isolant après l’attaque chimique. L’insert montre la section transverse. c) Images au microscope (à gauche) et au MEB (à droite) de la méta-structure transférée sur le PDMS avant encapsulation. L’image de gauche représente un échantillon de 1 cm x 1 cm. Chaque pixel mesure 100 µm x 100 µm. L’image de droite est celle de la surface de la méta-structure au MEB à fort grossissement Crédit Optica. CCL.

Fig.3. a) Schéma des principaux stades de la fabrication. 1. Attaque de la méta-structure de silicium à travers un masque de SiO2. L’insert montre la section transverse du profil d’attaque. 2. Séparation de la méta-structure du substrat par attaque à la vapeur d’acide fluorhydrique. 3. Transfert de la structure en Si sur la membrane en PDMS.
4. Encapsulation de l’échantillon flexible dans le PDMS.
b) Image au microscope électronique à balayage (MEB) de la méta-structure en silicium sur l’isolant après l’attaque chimique. L’insert montre la section transverse.
c) Images au microscope (à gauche) et au MEB (à droite) de la méta-structure transférée sur le PDMS avant encapsulation. L’image de gauche représente un échantillon de 1 cm x 1 cm. Chaque pixel mesure 100 µm x 100 µm. L’image de droite est celle de la surface de la méta-structure au MEB à fort grossissement
Crédit Optica. CCL.

Les propriétés des méta-structures ainsi obtenues

Cette technique a permis d’obtenir des échantillons changeant de couleur pour des déformations aussi faibles que 1%.

La déformation ou allongement relatif ε est le quotient de l’allongement ∆l d’un solide par sa longueur l0 au repos : ε = ∆l/ l0.

 

La figure ci-dessous illustre cela sur des échantillons présentant divers dessins selon la lithographie utilisée pour leur préparation.

Fig.4. a) photographie d’un échantillon à motif floral en lumière blanche. b) Photographie des 4 couleurs (vert, jaune, orange et rouge)constituant la palette des couleurs en lumière blanche. c) photographie d’un échantillon avant (ε=0, sa couleur est verte) et après (ε=4,9%) sa mise sous tension. d) Photographie de l’échantillon au motif floral au cours d’une suite de déformations de plus en plus élevées. Crédit Optica

Fig.4.
a) Photographie d’un échantillon à motif floral en lumière blanche.
b) Photographie des 4 couleurs (vert, jaune, orange et rouge) constituant la palette des couleurs en lumière blanche.
c) Photographie d’un échantillon avant (ε=0, sa couleur est verte) et après (ε=4,9%) sa mise sous extension.
d) Photographie de l’échantillon au motif floral au cours d’une suite de déformations de plus en plus élevées.
Crédit Optica. CCL.

Comme on peut le voir sur la figure 4 , la couleur de la membrane est contrôlée par la contrainte qu’on lui applique. La déformation qui en résulte fait varier l’écart entre nano-barres de silicium et change donc le pas des réseaux. Pour des angles d’incidence et de sortie donnés, le contrôle du pas des réseaux entraîne celui de la couleur perçue. La figure 4 (c) montre, pour l’échantillon vert, qu’une élongation de 4.9%, qui correspond à un accroissement du pas de 25 nm seulement, suffit à faire changer la couleur du vert à l’orange, d’une longueur d’onde de 541 à 580 nm. Une extension plus grande peut encore modifier la couleur vers le rouge.

La vidéo suivante montre ce passage du vert à l’orange :

Crédit Optica.CCL.

La figure 4(d) illustre le fait que l’on peut obtenir simultanément des changements de couleur pour différents motifs.

 

Le fonctionnement analogue de la peau du caméléon

Une équipe de chercheurs de l’université de Genève, en Suisse, s’est intéressé indépendamment à la remarquable propriété de changement rapide et complexe de couleurs observée chez les caméléons. En utilisant l’histologie, la microscopie électronique et des techniques de vidéographie photométrique, ils ont pu montrer qu’il existait dans le derme des caméléons un réseau de nanocristaux de guanine, les iridophores.  Ce réseau qui est, dans ce cas, à deux dimensions, comme on le voit sur la figure 5, est responsable du changement de couleur par modification de son pas. . On a bien un phénomène analogue au précédent mais, cette fois-ci, la méta-structure est à 2 dimensions, formant ainsi ce qu’on appelle un cristal photonique.

 

Fig.5. En haut : Photographies de la peau d’un caméléon mâle dans un état calme (à gauche) et dans un état excité. En bas : Images au microscope électronique à transmission du réseau de nano-cristaux de guanidine observés sur des biopsies d’un même caméléon dans les états correspondants. On voit qu’à ces états de relaxation et d’excitation correspondent des pas différents de ces réseaux. La barre d’échelle vaut 200 nm. Crédit Nature communications. Creative Common.

Fig.5.
En haut : Photographies d’un caméléon mâle et de sa peau dans un état calme (à gauche) et dans un état excité.
En bas : Images au microscope électronique à transmission du réseau de nano-cristaux de guanidine observés sur des biopsies d’un même caméléon dans les états correspondants. On voit qu’à ces états de relaxation et d’excitation correspondent des pas différents de ces réseaux.
La barre d’échelle vaut 200 nm. Crédit Nature communications. Creative Commons License.

 

Ajoutons que les chercheurs suisses ont pu aussi montrer qu’il existait une couche plus profonde d’iridophores qui, accordés dans l’infrarouge, réfléchissait celui-ci et contribuait ainsi à la régulation thermique de ces animaux par fortes chaleurs.

 

 

Les réseaux plans flexibles des chercheurs de Berkeley sont des méta-structures sur membrane de PDMS qui peuvent facilement être collées sur des objets et fournir ainsi une indication colorée de leurs éventuelles déformations. La déformation minima modifiant un pixel de ces méta-structures est si faible qu’elle peut être exploitée pour réaliser des systèmes d’affichage  d’une résolution inférieure à 1 µm, bien meilleure que celle des dispositifs  actuels.

Des applications en optique flexible sont envisageables qui iront du camouflage et de l’art visuel à grande échelle au marquage biologique et l’imagerie à l’échelle microscopique.

 

 

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

 

Flexible photonic metastructures for tunable coloration

Li Zhu, Jonas Kapraun, James Ferrara and Connie J. Chang-Hasnain

Optica Vol. 2,No. 3/March 2015. Open Access.

 

Photonic crystals cause active colour

change in chameleons

Jérémie Teyssier, Suzanne V. Saenko, Dirk van der Marel & Michel C. Milinkovitch

Nature communications, March 2, 2015. Open Access.

 

 

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