L’ingénierie à l’échelle nanométrique amène les matériaux déformant la lumière à des environnements plus extrêmes

Selon une étude menée par l'Université du Michigan et le laboratoire de recherche de l'Air Force, il est désormais possible d'imaginer les turbulences chaudes des systèmes de propulsion des avions grâce à des feuilles robustes de matériaux composites qui tordent les faisceaux lumineux.

Les feuilles ont été produites avec une nouvelle méthode de fabrication qui ouvre des possibilités au-delà de la conception d'avions, car elle permet d'utiliser de nouvelles classes de matériaux dans l'optique de polarisation. Bien que l’équipe ait démontré une tolérance aux températures élevées, de nouvelles propriétés mécaniques, électriques et physiques devraient également émerger, avec des applications potentielles dans les domaines de l’énergie, des capteurs pour véhicules et robots et de l’exploration spatiale.

“La combinaison de plusieurs fonctionnalités dans des matériaux 2D ouvre un monde de possibilités”, a déclaré Dhriti Nepal, ingénieur principal en matériaux de recherche au laboratoire de recherche de l'Air Force et co-auteur correspondant de l'étude publiée récemment dans Nature.

“Pensez aux ailes d'un papillon, qui lui permettent de voler, de réguler la température et de réfléchir la lumière pour produire des couleurs spécifiques pour attirer les partenaires et éviter les prédateurs. Cette technique offre de nouvelles opportunités de conception pour créer des appareils multifonctionnels capables de tout ce que l'on peut imaginer.”

La clé consiste à disposer les nanomatériaux qui ne tordent pas la lumière par eux-mêmes sur des couches qui transforment les ondes lumineuses en spirales vers la gauche ou vers la droite, connues sous le nom de polarisations circulaires. Dans l’exemple de l’avion, les turbulences créées par le moteur font tourner la lumière, qui est ensuite filtrée à travers le matériau pour l’imagerie. Aujourd'hui, des appareils tels que les écrans LCD et les peintures thermochromiques contrôlent déjà la torsion et l'orientation des ondes lumineuses à l'aide de cristaux liquides, mais ceux-ci fondent peu au-dessus des températures ambiantes.

“Il peut y avoir des situations dans lesquelles vous souhaitez orienter la lumière en dehors des températures normales de fonctionnement des cristaux liquides. Nous pouvons désormais fabriquer des dispositifs polarisant la lumière pour ce type de paramètres”, a déclaré Nicholas Kotov, professeur émérite de sciences chimiques à l'Université Irving Langmuir. et ingénierie à l'UM et auteur principal de l'étude.

Le nouveau matériau peut déformer la lumière à 250 degrés Celsius et, grâce à l'imagerie des turbulences dans les moteurs d'avion et à d'autres applications, il pourrait permettre aux ingénieurs aérospatiaux d'améliorer les conceptions pour de meilleures performances de vol des avions.

“Les futurs systèmes aérospatiaux continuent de repousser les limites de la faisabilité technique. Ces matériaux optiques à faible coût offrent une modularité cruciale pour optimiser les solutions pour un large éventail de technologies futures”, a déclaré Richard Vaia, scientifique en chef des matériaux et de la fabrication à l'Air Force. Laboratoire de recherche et auteur correspondant de l’étude.

Pour fabriquer ces matériaux, les chercheurs ont creusé des rainures microscopiques dans une feuille de plastique et l'ont recouverte de plusieurs couches de minuscules particules plates d'un diamètre 10 000 fois inférieur à un millimètre. Ces particules étaient maintenues en place par des couches alternées d’un adhésif moléculaire et pouvaient être fabriquées à partir de n’importe quel matériau pouvant être transformé en nanoparticules plates. Pour leurs matériaux résistants à la chaleur, les chercheurs ont utilisé des matériaux de type céramique appelés MXenes.

Lorsque la lumière se déplace à travers le matériau, elle se divise en deux faisceaux, l’un avec des ondes oscillant horizontalement et l’autre avec des ondes oscillant verticalement. Les ondes verticales traversent plus vite que les ondes horizontales. En conséquence, les ondes sortent déphasées et apparaissent comme une spirale de lumière. L'angle des rainures détermine la direction dans laquelle la lumière tourne en spirale, et des couches de nanofils d'argent peuvent aider à garantir que la lumière tourne uniquement vers la gauche ou vers la droite.

“Nos calculs suggèrent que les propriétés optiques ne proviennent pas des nanoplaques elles-mêmes, mais de leur orientation sur les rainures provoquées par notre processus de fabrication”, a déclaré André Farias de Moura, professeur agrégé de chimie à l'Université fédérale de São Carlos et chercheur. auteur co-correspondant de l’étude.

Felippe Colombari du Laboratoire national brésilien des biorenouvelables a également contribué à l'étude. Nicholas Kotov est également professeur d'ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka et professeur de science et d'ingénierie macromoléculaires.