Reproduction de la structure des plumes d'oiseaux
Le nouveau matériau pourrait être utilisé dans les batteries ou la filtration
Sur le modèle de la nature : des chercheurs ont mis au point un nouveau matériau qui reproduit la structure des plumes bleues de l'oiseau chanteur d'Amérique du Nord, parmi de nombreux autres oiseaux. Il présente également d'autres avantages remarquables.
Le merle bleu de l'Est est un oiseau particulier. Le bleu de ses plumes est unique. Cette couleur n'est pas due à des pigments, mais à la structure particulière de la plume. Au microscope, les plumes sont parcourues par un réseau de canaux d'un diamètre de quelques centaines de nanomètres seulement. À titre de classification, un nanomètre est un milliardième de mètre. Le bleu de l'oiseau bleu a attiré l'attention des chercheurs de l'ETH du Laboratoire des matériaux mous et vivants dirigé par l'ancien professeur de l'ETH Eric Dufresne. À tel point qu'ils ont décidé de reproduire ce matériau en laboratoire. Ils y sont parvenus grâce à une nouvelle méthode : ils ont développé un matériau qui présente la même structure que les plumes de l'oiseau bleu, tout en offrant un potentiel d'applications pratiques grâce à ses nanoréseaux.
Réplique de la nature
Les chercheurs ont utilisé comme matériau de départ un caoutchouc de silicone transparent qui peut être étiré et déformé. Les scientifiques ont placé ce caoutchouc dans une solution huileuse et l'ont laissé gonfler pendant plusieurs jours dans un four à une température de 60 degrés Celsius. Ils l'ont ensuite refroidi et ont extrait le caoutchouc de la solution huileuse.
Les chercheurs ont pu observer au microscope comment la nanostructure du caoutchouc s'était modifiée au cours de l'opération et ils ont identifié des structures en réseau similaires à celles qui donnent sa couleur bleue à la plume de l'oiseau bleu. La principale différence réside dans l'épaisseur des canaux formés - la plume d'oiseau mesurait environ 200 nanomètres et le matériau synthétique 800 nanomètres.
Le principe de la formation des réseaux est la séparation des phases. Ce phénomène peut être observé dans la cuisine avec une vinaigrette composée d'huile et de vinaigre. Il n'est pas facile de mélanger les deux liquides et le meilleur moyen d'y parvenir est de les agiter vigoureusement. Les liquides se séparent à nouveau dès que l'agitation cesse. Mais il est également possible de les mélanger en les chauffant, puis en les refroidissant à nouveau pour les séparer. C'est précisément ce principe que les chercheurs ont appliqué pour mélanger le caoutchouc de silicone et la solution huileuse. Il en résulte la formation de tout un réseau microscopique de canaux à l'intérieur du caoutchouc.
L'auteur principal, Carla Fernández Rico : "Nous sommes en mesure de contrôler et de sélectionner les conditions de manière à ce que des canaux se forment pendant la séparation des phases. Nous avons réussi à arrêter la procédure avant que les deux phases ne fusionnent à nouveau complètement." Cette structure en forme de canal est très similaire à la structure des plumes des oiseaux.
L'avantage de cette nouvelle méthode est que le nouveau matériau a une taille de plusieurs centimètres et reste évolutif. "En principe, on pourrait utiliser un morceau de plastique caoutchouteux de n'importe quelle taille. Mais il faudrait alors des conteneurs et des fours de taille correspondante", explique M. Fernández Rico.
La nouveauté de cette méthode de traitement des matériaux suscite beaucoup d'intérêt dans la communauté des physiciens. "Nous disposons d'un système simple composé de seulement deux ingrédients, mais la structure finale obtenue est très complexe et contrôlée par les propriétés des ingrédients", explique M. Fernández Rico. "Nous avons été approchés par plusieurs groupes théoriques qui proposent l'utilisation de modèles physiques afin de comprendre les principes physiques clés de ce nouveau processus et de prédire son résultat."
Une durée de vie des piles plus longue et une meilleure filtration
Le nouveau matériau offre un potentiel d'applications techniques et durables. Les batteries sont l'un des domaines d'application possibles. Dans les batteries, les ions se déplacent généralement entre les électrodes à travers un liquide appelé électrolyte. L'une des principales raisons pour lesquelles les batteries perdent leur capacité de charge au fil du temps, voire tombent en panne, est que les ions réagissent avec l'électrolyte liquide, ce qui provoque un contact physique entre les deux électrodes et endommage la batterie. Les électrolytes liquides pourraient être remplacés par des électrolytes solides avec une structure en réseau de canaux interconnectés - comme celui montré par les chercheurs de l'ETH, qui éviterait le contact physique entre les électrodes, tout en maintenant un bon transport d'ions à travers la batterie.
Les filtres à eau pourraient constituer une autre application. De bonnes propriétés de transport à travers les canaux interconnectés et de grandes surfaces sont avantageuses ici. Le rapport entre la surface et le volume est énorme dans le cas des structures en forme de canaux. Cela permet d'éliminer efficacement les contaminants tels que les bactéries ou d'autres particules de l'eau.
Développer la recherche dans le sens de la durabilité
"Cependant, le produit est encore loin d'être prêt à être commercialisé", déclare Fernández Rico. "Alors que le matériau caoutchouteux est bon marché et facile à obtenir, la phase huileuse est assez coûteuse. Il faudrait une paire de matériaux moins coûteux".
Fernández Rico souhaite développer ses futures recherches dans une optique de durabilité : "De nombreux polymères naturels, tels que la cellulose ou la chitine, ont une structure similaire à celle du caoutchouc utilisé dans nos travaux. Or, travailler avec un matériau naturel comme la cellulose est (plus) respectueux de l'environnement qu'avec des caoutchoucs de silicone dérivés du pétrole. Le chercheur postdoctoral souhaite donc découvrir à l'avenir comment rendre ces matériaux plus fonctionnels afin d'en exploiter le potentiel.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Carla Fernández-Rico, Sanjay Schreiber, Hamza Oudich, Charlotta Lorenz, Alba Sicher, Tianqi Sai, Viola Bauernfeind, Stefanie Heyden, Pietro Carrara, Laura De Lorenzis, Robert W. Style, Eric R. Dufresne; "Elastic microphase separation produces robust bicontinuous materials"; Nature Materials, 2023-10-26
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