Les scientifiques des matériaux espèrent pouvoir utiliser les propriétés spéciales des ailes de papillon pour produire des produits tels que la peinture et les cosmétiques sans substances toxiques.
Les teintes bleu vif sur les ailes des papillons morpho fascinent non seulement les scientifiques des papillons mais aussi les chimistes depuis longtemps. L'intérêt des chimistes est éveillé par les structures protéiques complexes à l'échelle nanométrique qui se superposent dans les ailes des papillons. Les formes de ces structures protéiques se comportent comme des prismes qui reflètent une belle couleur bleu azur. Les scientifiques des matériaux espèrent pouvoir éventuellement utiliser les propriétés de ces structures pour produire des produits tels que des peintures et des cosmétiques sans colorants qui peuvent être nocifs pour les personnes et l'environnement.
Les chimistes de Cypris Materials, une start-up californienne, cherchent un moyen d'appliquer cette "couleur structurelle" à une large gamme de produits sans coûter trop cher. Bien que le processus ait été difficile, ils l'ont presque fait. Ils disent avoir développé un colorant, sans colorants ni pigments, qui peut créer des nuances dans les parties ultraviolette, visible et proche infrarouge du spectre électromagnétique.
Le colorant pourrait avoir une variété d'utilisations, de la peinture automobile à l'encre d'imprimante et au vernis à ongles. « La start-up a fait des progrès dans un domaine qui a cruellement besoin d'innovation. Il semble qu'elle réussisse à faire traduire son travail du laboratoire au terrain. C'est très impressionnant", a déclaré John Warner, chercheur renommé de la société Zymergen et pionnier de la chimie verte, qui n'a pas participé aux travaux de Cypris Materials.
Les pigments et colorants traditionnels sont utilisés depuis des siècles pour donner de la couleur aux tissus, peintures et autres applications quotidiennes. La manière dont les colorants classiques absorbent ou réfléchissent la lumière détermine les nuances que nous voyons. Par exemple, le colorant rouge d'un pull contient certains composants moléculaires qui absorbent les longueurs d'onde de la lumière incidente dans toutes les couleurs sauf le rouge. C'est la couleur que nous voyons.
Seuls certains des produits chimiques présents dans les colorants traditionnels contiennent des substances liées au cancer et à d'autres effets nocifs. De nombreux pays ont interdit ces produits chimiques.
Ce n'est pas le cas avec la couleur structurelle. Il s'agit ici de structures microscopiques dont les différentes formes réfléchissent ou réfractent également la lumière de différentes manières. Les minuscules écailles sur les ailes d'un papillon morpho, par exemple, sont couvertes de minuscules crêtes qui se croisent. Cette structure brise des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, produisant une couleur bleu vif. D'autres structures créent des effets similaires. Les microfibres de cellulose, disposées en spirale, permettent aux baies marbrées (pollia condensata) ) à une couleur bleue métallique brillante.
Les détails précis sur la couleur structurelle et comment elle se produit dans la nature intriguent encore les scientifiques. Ils savent déjà que le matériau lui-même et les tailles et volumes des éléments d'une structure déterminent principalement la façon dont la lumière se reflète à partir de cette structure et la couleur que nous voyons.
Cypris Materials fabrique des colorants à base de structure en utilisant des copolymères séquencés auto-assemblés. Ce sont de longues chaînes de molécules qui, dans ce cas, relient deux types de plastiques couramment utilisés, tels que le polyacrylate et le polyester. Lorsqu'ils sont appliqués sur une surface sous forme de peinture ou d'encre, les copolymères s'organisent en structures en couches organisées qui réfractent la lumière.
Pour illustrer le fonctionnement du processus, nous évoquons l'image d'un sac d'oursons gommeux. Imaginez que les oursons gommeux sont à moitié jaunes et à moitié verts et que chaque couleur représente un type de plastique différent. Disposez maintenant les oursons gommeux de manière à ce que les couleurs jaune et verte ne touchent que le côté des oursons de la couleur correspondante. Dans ce cas, ils forment une structure multicouche.
Les copolymères de Cypris Materials effectuent ce processus automatiquement dès que vous les placez dans une solution. La longueur de la chaîne polymère détermine alors la longueur d'onde de la lumière réfléchie. Des chaînes de copolymères plus courtes réfractent des longueurs d'onde de lumière plus courtes telles que les couleurs ultraviolettes, bleues et vertes. Des chaînes plus longues cassent des longueurs d'onde plus longues dans les parties orange, rouge et proche infrarouge du spectre.
Bien que les copolymères auto-assemblés ne soient pas une nouvelle invention, la société affirme qu'ils ont fait des progrès significatifs. Tout d'abord, les matériaux s'auto-assemblent dans des conditions quotidiennes, comme lors de l'application de peinture. Deuxièmement, les matériaux peuvent former des chaînes plus longues qui brisent les longues longueurs d'onde de la lumière.
"Personne n'a été capable de créer les rouges avec une couleur structurelle auparavant", a déclaré Robert Grubbs, lauréat du prix Nobel, professeur de chimie au California Institute of Technology et co-fondateur de la société qui consulte Cypris. "Ils ont accompli plus que ce que je pensais possible."
Les nouveaux colorants se présentent sous forme de poudre et Cypris Materials affirme qu'ils peuvent être incorporés dans les processus de fabrication. Par exemple, les poudres peuvent être ajoutées à la peinture pour les aérosols de voiture ou mélangées au vernis à ongles. Les colorants agissent également comme des liants, des produits chimiques qui sont ajoutés pour maintenir les pigments et les colorants en place pendant que la peinture sèche sur la surface.
« Nous simplifions la peinture », déclare le cofondateur et PDG par intérim de la société, Ryan Pearson. « Jusqu'à présent, vous deviez ajouter des pigments à votre peinture, ainsi que des additifs pour la stabiliser. Nous veillons à ce que les pigments et les colorants ne soient plus nécessaires. Les stabilisateurs deviennent également superflus."
D'autres produits chimiques qui sont régulièrement ajoutés à la peinture pour stabiliser le pigment sont les tensioactifs (un type de détergent qui abaisse la tension superficielle des liquides). « Nous devons encore voir si les nouveaux colorants rendent ces produits chimiques superflus. Si les colorants peuvent remplacer les tensioactifs ou être formulés sans alkylphénol (produits chimiques dans la peinture pour empêcher le produit de se séparer), nous pensons que ce serait certainement une évolution positive », déclare Teresa McGrath. McGrath est directeur de recherche au Healthy Building Network, une organisation à but non lucratif qui promeut l'utilisation de matériaux durables et moins nocifs et n'est pas associée à Cypris Materials.
La nouvelle méthode contraste avec d'autres applications de couleur structurelle - pensez aux films isolants et économes en énergie que vous appliquez sur les fenêtres. Dans cette technique, différentes couches de feuille sont créées et combinées pour obtenir une structure qui réfléchit la lumière infrarouge. Les films ne peuvent être appliqués que sur certaines surfaces, ce qui rend la nouvelle technologie de la technologie de couleur structurelle polyvalente.
Les colorants de la startup doivent encore surmonter les obstacles et résoudre les limitations potentielles. Par exemple, ils peuvent ne pas être en mesure de concurrencer certains pigments tels que le dioxyde de titane car ils sont moins chers. La société n'a pas encore effectué une analyse complète de ses copolymères et de ses procédés de fabrication pour confirmer que leurs colorants sont effectivement plus sûrs et plus respectueux de l'environnement que les colorants et pigments traditionnels. "Ce ne sera pas parfait", dit Warner. Mais « l'ennemi de l'excellent est le parfait. Ces types d'étapes importantes contribuent au fonctionnement de la science.'
