Pourquoi voyons-nous notre environnement et les objets qui le composent ? Une question en apparence très simple, mais qui demande de comprendre quelques bases en optique pour y répondre correctement. La vision n’est possible que parce que les surfaces renvoient une partie de la lumière qu’elles reçoivent : même les objets les plus mats en réfléchissent toujours assez pour qu’on les perçoive.
Si l’on parvient à modifier la microstructure d’une surface pour empêcher les photons (qui composent la lumière) de ressortir, l’objet en question n’est presque plus perceptible par notre œil. C’est sur ce principe qu’avait été créé le Vantablack en 2012, un matériau ultra-noir formé d’une forêt de nanotubes de carbone capables d’absorber quasiment toute la lumière incidente (99,965 %). Malheureusement, il était très fragile et coûteux à produire ; ses applications étaient par conséquent très limitées.
Une équipe de l’Université de Notre Dame (Indiana) vient de mettre au point un matériau capable d’en absorber quasiment autant (99,6 %), dont la fabrication est infiniment plus simple et bien moins coûteuse. L’étude le décrivant date du 19 mai et a été publiée dans la revue Nature Communications.
Le secret du noir extrême
Pour atteindre un tel niveau d’absorption, les ingénieurs de Notre Dame ont fabriqué un moule en silicium, gravé de minuscules trous coniques disposés en nid d’abeilles. Ils y ont ensuite versé du silicone mélangé à un colorant noir, qui vient remplir tous ces interstices. Une fois solidifié et démoulé, ce silicone reproduit la géométrie du moule, mais en négatif : les trous du moule deviennent les microcônes saillants du matériau final, des structures d’à peine 10 micromètres de large (voir photo en tête d’article).
Chacun de ces microcônes est si fin et si serré que la lumière, en pénétrant dans ce labyrinthe microscopique, « rebondit » d’une paroi à une autre en s’enfonçant toujours plus profondément dans les cavités. Elle finit par être presque totalement absorbée, peu importe l’angle des photons ou leur couleur : le matériau n’en renvoie que 0,4 %.
« Ce n’est pas la couleur de la structure qui lui donne cet aspect noir, c’est sa géométrie [qui est] extrêmement efficace pour piéger la lumière », souligne Matthew Rosenberger, qui a dirigé ces travaux.
Quelles applications peut-on lui trouver ?
Contrairement au Vantablack, qui n’a trouvé son usage que dans des secteurs très spécialisés (optique de haute précision, domaine militaire, aérospatiale) en raison de ses coûts rédhibitoires, ce matériau est beaucoup plus modulable. En jouant sur la géométrie des cavités (forme, profondeur, densité, répartition, etc.), les chercheurs peuvent aisément modifier les performances optiques et mécaniques de la surface sur laquelle il sera appliqué.
« Nous pouvons ajuster chaque matériau selon son objectif : par exemple, privilégier l’absorption ou la robustesse », explique Rosenberger. Une telle flexibilité (inexistante pour les autres matériaux ultra-noirs) permet ainsi de l’utiliser dans des domaines bien plus diversifiés.
Chambres noires de laboratoires, composants internes de microscopes ou de télescopes, pièces de satellites, instruments astronomiques… les usages potentiels sont innombrables. Plus nos technologies deviennent sensibles et exigeantes en termes de précision des mesures, plus nous aurons besoin de ce type de ce matériaux ultra-absorbants, capables de supprimer les signaux lumineux parasites. Pour l’instant, l’équipe de Notre Dame n’en est qu’au stade expérimental et aucune information n’a été transmise concernant une éventuelle date de mise en production de son matériau ou de son prix. Néanmoins, la simplicité de leur procédé de fabrication pourrait rapidement séduire les industriels et leur donner la chance de commencer à le commercialiser.
- Des chercheurs américains ont conçu un nouveau revêtement presque totalement absorbant, obtenu grâce à une micro-architecture en forme de cônes qui piège la lumière.
- Cette solution, plus simple et bien moins coûteuse que les ultra-noirs précédents, peut être ajustée selon les besoins : stabilité, efficacité ou résistance.
- Le matériau n’est pas encore prêt pour l’industrie, mais sa fabrication abordable laisse entrevoir une adoption rapide dans l’imagerie scientifique, l’astronomie ou les systèmes optiques sensibles.
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