Imiter la structure des plumes d'oiseaux

Le pouillot à gorge rouge est un oiseau particulier. Le bleu de son plumage est unique. Cette couleur n'est toutefois pas due à des pigments, mais à la structure particulière des plumes. Observées au microscope, les plumes sont traversées par un réseau de canaux. Ceux-ci ont un diamètre de quelques centaines de nanomètres seulement. Pour situer les choses : un nanomètre est la milliardième partie d'un mètre. Le bleu de la bernache a également attiré l'attention des chercheurs de l'ETH du laboratoire des matériaux mous et vivants de l'ancien professeur de l'ETH Eric Dufresne. A tel point qu'ils se sont fixés pour objectif d'imiter ce matériau. Gr?ce à une nouvelle méthode, ils y sont parvenus : ils ont mis au point un matériau qui présente la structure des plumes du tacheté et qui, de plus, a un potentiel d'applications pratiques gr?ce à ses nano-réseaux.

Copié sur la nature

Les chercheurs ont utilisé comme matériau de base un caoutchouc polymère qui peut être étiré et déformé et qui est translucide. Les scientifiques ont placé ce caoutchouc dans une solution huileuse et l'ont fait gonfler pendant plusieurs jours dans un four à des températures de 60 degrés Celsius. Ils ont ensuite refroidi le système et retiré le caoutchouc de la solution huileuse.

Sous le microscope, les chercheurs ont pu constater comment la nanostructure du caoutchouc s'était modifiée au cours du processus - et ont reconnu des structures de réseau similaires à celles qui confèrent leur couleur bleue aux plumes du tacheté. La principale différence réside dans l'épaisseur des canaux formés, qui est d'environ 200 nanomètres pour les plumes d'oiseaux et de 800 nanomètres pour le caoutchouc.

Le principe à la base de la formation du réseau est la séparation des phases. Ce phénomène peut être observé dans la cuisine avec une sauce à salade composée d'huile et de vinaigre. Mélanger les deux liquides n'est pas facile et le meilleur moyen d'y parvenir est de les secouer vigoureusement. Si l'on arrête de secouer, les liquides se séparent à nouveau. Mais on peut aussi les mélanger en chauffant les phases et en les refroidissant pour les séparer. C'est précisément ce principe que les chercheurs ont utilisé pour mélanger le caoutchouc polymère et le liquide huileux. Cela a conduit à la formation de tout un réseau microscopique de canaux à l'intérieur du caoutchouc.

Carla Fernández Rico, première auteure, explique : "Nous pouvons contr?ler et déterminer les conditions de manière à ce que des canaux se forment lors de la séparation des phases. Nous avons réussi à arrêter le processus avant que les deux phases ne fusionnent à nouveau complètement". Cette structure en forme de canal ressemble beaucoup aux structures des plumes d'oiseaux.

L'avantage de cette nouvelle méthode est que le nouveau matériau mesure plusieurs centimètres et peut encore être mis à l'échelle. "En principe, on peut utiliser un morceau de plastique caoutchouteux de n'importe quelle taille. Mais il faut alors des récipients et des fours de taille correspondante", explique Fernández Rico.

Ce nouveau type de méthode de traitement des matériaux suscite un grand intérêt dans la communauté des physiciens. "Nous avons un système simple avec seulement deux composants, mais la structure que nous obtenons est très complexe et est contr?lée par les propriétés des composants", explique Fernández Rico. "Plusieurs groupes nous ont contactés et recommandent l'utilisation de modèles pour comprendre les principes physiques fondamentaux de ce nouveau processus et prédire ses résultats".

Une durée de vie plus longue des batteries et une meilleure filtration

Ce nouveau matériau recèle un potentiel d'applications techniques et de durabilité. Les batteries constituent un domaine d'application possible. Dans les batteries, les ions se déplacent normalement entre les électrodes à travers un liquide appelé électrolyte. L'une des principales raisons pour lesquelles les batteries perdent leur charge au fil du temps, voire se cassent, est que les ions réagissent avec les électrolytes liquides, ce qui entra?ne un contact entre les deux électrodes et endommage la batterie. Les électrolytes liquides pourraient être remplacés par des électrolytes solides dotés d'une structure en réseau de canaux interconnectés - comme l'ont montré les chercheurs de l'ETH. Cela permettrait d'éviter le contact physique entre les électrodes tout en garantissant un bon transport des ions à travers la batterie.

Les filtres à eau pourraient être une autre application. De bonnes propriétés de transport via le réseau de canaux et une grande surface sont ici un avantage. Dans les structures de type canal, le rapport entre la surface et le volume est énorme. Cela permet d'éliminer efficacement les impuretés comme les bactéries ou les particules de saleté de l'eau.

Faire évoluer la recherche vers la durabilité

"Cependant, le produit est loin d'être prêt à être commercialisé", explique Fernández Rico, "le caoutchouc utilisé est bon marché et facile à obtenir. En revanche, la solution huileuse est très chère. Il faut ici une alternative moins chère".

Fernández Rico souhaite développer ses recherches dans le sens de la durabilité : "De nombreux polymères naturels comme la cellulose ou la chitine ont une structure similaire à celle du caoutchouc que nous avons utilisé dans notre travail". Travailler avec un matériau naturel comme la cellulose est en outre plus respectueux de l'environnement que de travailler avec du caoutchouc de silicone dérivé du pétrole. La post-doctorante souhaite donc trouver comment rendre de tels matériaux plus fonctionnels afin d'en exploiter le potentiel.