Colorez ces scientifiques heureux. Un gel exotique qu’ils ont étudié au National Institute of Standards and Technology (NIST) a une propriété inattendue : la température du matériau détermine la couleur de la lumière qui peut le traverser.
Le matériau, que l’équipe de recherche appelle « SeedGel », s’est déjà révélé prometteur en tant qu’outil polyvalent, avec des applications allant des batteries aux filtres à eau en passant par l’ingénierie tissulaire. Le nouveau journal de l’équipe, paru dans Communication Nature, met en évidence la nouvelle capacité du gel en tant que filtre de lumière sensible à la température. Faites briller la lumière blanche sur le gel et, selon la température du gel, seule une longueur d’onde ou une couleur spécifique le traversera. Un changement de température de moins d’un dixième de degré Celsius peut suffire à modifier la longueur d’onde autorisée, qui peut être n’importe quelle couleur dans la gamme visible ainsi que des parties de l’ultraviolet et de l’infrarouge.
« Nos travaux précédents ont montré que le SeedGel peut passer de clair à opaque et inversement, mais nous n’avons pas exploré ce qu’il peut faire avec la couleur », a déclaré Yun Liu, qui est à la fois scientifique au NIST Center for Neutron Research (NCNR). et professeur à l’Université du Delaware. « Sa capacité à contrôler précisément la couleur était une nouvelle découverte. »
La création de l’équipe est distincte des autres qui peuvent être familières sur le marché. Ne la confondez pas avec une bague d’humeur, dont les cristaux liquides thermochromiques changent de couleur avec la température. Il ne s’agit pas non plus d’une variante des verres solaires photochromiques, qui s’assombrissent lorsqu’ils sont exposés aux rayons ultraviolets. Au lieu de cela, le gel fonctionne comme une porte sensible à la température pour une longueur d’onde de lumière particulière.
Leur gel commence comme un fluide transparent composé d’eau et de solvants liquides avec des nanoparticules de silice ajoutées. Si ce mélange est chauffé à une certaine température, les liquides et les nanoparticules formeront un gel physique qui reste initialement transparent mais possède maintenant une structure interne différente. Au lieu d’un fluide informe, les liquides forment des canaux microscopiques imbriqués, les nanoparticules étant confinées dans l’un d’eux.
Au fur et à mesure qu’il est chauffé à travers une plage spécifique de températures plus élevées, l’effet nouvellement découvert apparaît : le gel devient opaque à toutes les couleurs sauf individuelles, laissant d’abord passer des longueurs d’onde plus courtes et plus bleues, puis progressivement des longueurs d’onde plus longues et plus rouges. Finalement, une fois cette plage de température dépassée, le gel devient opaque à toute lumière visible.
Des expériences de diffusion de neutrons réalisées au NCNR expliquent ce comportement inhabituel. Le changement de température provoque un échange de molécules liquides entre les canaux microscopiques, modifiant l’indice de réfraction global de ces canaux. Une longueur d’onde de lumière passe à travers, mais d’autres couleurs sont dispersées.
Le comportement est un exemple de l’effet Christiansen, qui a été identifié en 1884. Des filtres qui reposent sur l’effet Christiansen existent, mais les chercheurs indiquent que leur nouveau gel offre des avantages distincts à l’industrie : non seulement leur gel est plus sensible aux changements de température. , mais la plage de température potentielle à laquelle il fonctionne est plus large, car il peut être personnalisé entre 15 et 100 degrés Celsius. Il peut être réglé pour couvrir une large gamme de longueurs d’onde, potentiellement de l’ultraviolet (d’un peu moins de 400 nanomètres) au proche infrarouge (jusqu’à 2500 nanomètres). Et il laisse passer plus de lumière que les filtres Christiansen typiques.
Comme le gel, quelles que soient les personnalisations, est composé de matériaux peu coûteux et facilement disponibles, il offre des avantages pour l’industrie, a déclaré Yuyin Xi, membre de l’équipe de l’Université du Delaware.
« L’approche est polyvalente avec une grande adaptabilité, et le processus de fabrication peut être facilement mis à l’échelle », a-t-il déclaré. « C’est un candidat prometteur pour une utilisation dans une gamme de dispositifs optiques intelligents et de nouvelles classes de matériaux qui ont des applications de couleur. »
Yuyin Xi et al, Coloration dynamique finement accordable à l’aide de domaines micrométriques bicontinus, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-31020-0