Des cristaux photoniques aux couleurs de l’arc en ciel

Contrairement aux couleurs produites par des pigments, qui absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière, les couleurs dites structurales proviennent uniquement de la façon dont la lumière interagit avec la structure de la matière. La couleur bleue des ailes de papillon, par exemple, n’est pas due à un colorant : elle résulte d’un empilement extrêmement régulier de couches nanométriques de chitine, un biopolymère, et d’air. Lorsque la lumière arrive sur cette alternance périodique de couches aux indices de réfraction différents, certaines longueurs d’onde sont réfléchies par interférences, tandis que les autres sont transmises ou annulées. Ce type d’organisation est appelé cristal photonique. Chez certains organismes, ces structures photoniques et la longueur d’onde qu’elles réfléchissent répondent à des stimuli externes, un phénomène souvent associé à des comportements tels que la reproduction, la signalisation sociale et le camouflage. 

Inspirés par ces systèmes naturels dynamiques, des scientifiques du Centre de recherches sur les macromolécules végétales (CNRS/Université Grenoble Alpes), de la National Taiwan University1  (Taiwan) et de la Hokkaido University (Japon) ont conçu des glycopolymères à base d’oligosaccharides et de polystyrène qui s’autoassemblent spontanément en une alternance de couches d’une centaine de nanomètres aux indices de réfraction différents. Ces glycopolymères à blocs dits « en brosse » sont constitués d’une chaîne principale rigide dont une partie porte des chaînes latérales hydrophobes (de polystyrène) et l’autre des chaînes latérales formées de maltoheptaose, un sucre naturel capable de former des liaisons hydrogène. Lorsqu’on dépose ces copolymères en solution sur un substrat et que le solvant s’évapore, ils s’autoassemblent spontanément en empilements réguliers de couches ou lamelles hydrophobes et hydrophiles dont l’épaisseur est contrôlée par la taille respective des blocs portant du PS et le sucre. Ces structures très régulières, analogues à celles observées dans les systèmes naturels, forment un cristal photonique unidimensionnel.

La couleur réfléchie par ce cristal supramoléculaire dépend directement de l’épaisseur de ses couches. Plus l’espacement entre les lamelles est faible, plus la couleur réfléchie est bleutée ; plus il est grand, plus elle se décale vers le vert, l’orange puis le rouge. En jouant sur la masse moléculaire des polymères, toute la gamme des couleurs du visible peut ainsi être obtenue. L’ajout d’un petit sucre, le sorbitol, permet également d’augmenter légèrement la distance entre les couches, ce qui décale la couleur vers le rouge sans modifier la structure du polymère lui-même. 

Plus intéressant encore, cet espacement peut être modulé pour un polymère donné par la présence de solvants. Lorsque de l’eau est déposée à la surface du matériau, elle gonfle sélectivement les zones riches en sucre. L’espacement entre les couches augmente en quelques secondes et entraîne un changement immédiat de couleur. À l’inverse, les solvants organiques gonflent les parties en polystyrène. Dès que le solvant s’évapore, la structure retrouve son organisation initiale et sa couleur d’origine. Ce processus rapide est totalement réversible sur de nombreux cycles. 

Ces cristaux photoniques partiellement biosourcés décrits dans la revue Advanced Materials ouvrent de nombreuses perspectives pour des capteurs visuels de solvants, des indicateurs environnementaux ou encore des dispositifs bioélectronique et optiques adaptatifs ne nécessitant ni pigments ni électronique.

Rédacteur : AVR

• 1Dans le cadre du projet de recherche international (IRP) entre le CNRS et la National Taiwan University