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Un matériau pliable et léger
Des chercheurs de l'Université de St. Andrews ont créé des feuilles d'un métamatériau flexible qui peut manipuler la lumière visible. C'est un pas en avant assez important, dit Steven Cummer , professeur de génie électrique et informatique à l'Université Duke et inventeur de la première cape d'invisibilité à base de métamatériaux. Aux fréquences radio, nous savons comment faire beaucoup de ces choses. Mais aux longueurs d'onde optiques, les choses ont été très limitées en termes de fabrication.
Maintenant vous le voyez : Une feuille de Metaflex, un nouveau métamatériau qui pourrait être utilisé dans des appareils et des tissus capables de manipuler la lumière visible.
Les métamatériaux permettent aux chercheurs de manipuler les ondes électromagnétiques au-delà des limites de ce que la physique permet dans les matériaux naturels. En plus de promettre de meilleures cellules solaires et des lentilles de microscope haute résolution, les métamatériaux ont également été utilisés pour créer des capes d'invisibilité, dans lesquelles des ondes électromagnétiques sont courbées autour d'un objet comme s'il n'était tout simplement pas là.
Cependant, les métamatériaux doivent être construits à partir d'éléments plus petits que la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique manipulé. Cela signifie que les capes d'invisibilité (et la plupart des dispositifs métamatériaux en général) ne fonctionnent qu'avec des longueurs d'onde plus longues que celles trouvées dans la lumière visible, telles que les fréquences radio et micro-ondes. Les métamatériaux conçus pour fonctionner avec des longueurs d'onde optiques sont construits sur des substrats rigides et fragiles, et par conséquent, ils ont été confinés au laboratoire.
Le nouveau métamatériau, baptisé Metaflex par ses créateurs, est fabriqué sur un substrat rigide. Une première couche sacrificielle du matériau est déposée sur ce substrat pour empêcher les couches suivantes de coller à ce substrat. Une feuille d'un polymère plastique souple et transparent est ensuite déposée. Ensuite, un processus lithographique, similaire à celui utilisé pour fabriquer des puces de silicium, crée un réseau de barres d'or, chacune de 100 à 200 nanomètres de long et 40 nanomètres d'épaisseur, au-dessus du polymère. (Ces barres agissent comme des nanoantennes qui interagissent avec les ondes électromagnétiques entrantes.) Le matériau Metaflex est ensuite baigné dans un produit chimique qui libère le polymère de la couche inférieure et du substrat rigide.
En faisant varier la longueur et l'espacement des nanoantennes, Metaflex peut être réglé pour interagir avec différentes longueurs d'onde de lumière. Les feuilles simples testées par les chercheurs ont simplement bloqué une partie d'un faisceau de lumière entrant à des longueurs d'onde spécifiques, mais cela suffit pour démontrer que Metaflex est un métamatériau fonctionnel. Les chercheurs de St. Andrew's ont testé des longueurs d'onde aussi courtes que 620 nanomètres (correspondant à une couleur rouge).
Jusqu'à présent, les chercheurs ont produit des feuilles flexibles mesurant jusqu'à cinq sur huit millimètres et aussi fines que quatre micromètres. Bien qu'un échantillon de la taille d'un ongle puisse sembler petit, il s'agit d'un grand pas en avant par rapport aux dimensions microscopiques d'autres métamatériaux optiques. Les scientifiques de St. Andrew's sont convaincus que Metaflex peut être produit dans des tailles encore plus grandes et à des volumes élevés. C'est absolument évolutif aux niveaux industriels, déclare Andrea Di Falco, l'auteur principal d'un papier publié dans le Nouveau Journal de Physique hier qui décrit le matériel.
Même dans les petites tailles, la flexibilité du matériau est susceptible de conférer de gros avantages. Vous aimeriez vraiment pouvoir façonner des métamatériaux optiques en cylindres ou en sections sphériques. Cela pourrait permettre, par exemple, la création de superlentilles incurvées qui pourraient agrandir des objets si petits qu'ils ne peuvent actuellement pas être vus avec des lentilles optiques en raison des effets de diffraction. Sur des substrats rigides, il est presque impossible de fabriquer ce genre de chose, dit Cummer de l'Université Duke, mais avec un matériau flexible, vous pouvez fabriquer à plat et le plier facilement en forme.
Di Falco pense qu'il devrait être possible d'empiler des feuilles de Metaflex ensemble pour créer des couches épaisses et des blocs du matériau, créant ainsi le premier métamatériau optique avec un volume tridimensionnel important. Un tel développement ouvrirait la porte à de nouvelles propriétés, y compris, peut-être, la capacité de travailler avec plus d'une seule longueur d'onde à la fois. D'autres chercheurs ont pu créer des métamatériaux pouvant être réglés pour répondre à différentes longueurs d'onde uniques après la fabrication, mais idéalement, ils aimeraient un matériau capable de fonctionner simultanément sur une large bande de longueurs d'onde. Cela peut être réalisé en empilant des feuilles de MetaFlex, chacune réglée sur une longueur d'onde différente.
La prochaine étape des chercheurs consiste à créer ces piles et à étudier comment les propriétés de Metaflex changent lorsque les feuilles sont tordues, étirées ou pliées.
En fin de compte, dit Di Falco, Metaflex pourrait avoir des applications telles que la manipulation de la lumière d'une LED intégrée dans une lentille de contact pour la réalité augmentée, de sorte que des images générées par ordinateur soient projetées sur la rétine du porteur. Et bien sûr, il y a l'invisibilité. Si vous avez quelque chose de flexible, vous pouvez l'intégrer dans un tissu. Ensuite, vous pourriez penser à régler les propriétés de chaque couche individuelle pour changer la réponse du tissu, donnant quelque chose de similaire au camouflage. Alors, oui, il y a des raisons pour [une cape d'invisibilité]. Pas demain. Mais c'est là-dessus que je vais travailler, dit Di Falco.