Debashis Chanda a eu du mal à trouver un physicien capable de peindre. Les chercheurs de son laboratoire de nanosciences à l’Université de Floride centrale avaient déjà résolu les problèmes des machines haut de gamme nécessaires à la création d’un nouveau type révolutionnaire de peinture de refroidissement. Ils avaient rempli des flacons de couleurs vives. Mais quand est venu le temps de le montrer, ils se sont heurtés à un mur. “Nous pouvions à peine dessiner un papillon à la main, ce qui est une sorte de dessin d’enfant”, explique Chanda.
Ils l’ont fait quand même. Le forme et le design à quatre couleurs ont l’air basiques, mais la simplicité est trompeuse. Si vous zoomez en profondeur – à des dimensions invisibles – cette peinture n’a presque rien à voir avec la peinture que vous connaissez.
La couleur nous entoure dans la nature et nous la recréons avec des pigments. Vous pouvez considérer les pigments comme des minéraux pulvérisés, des métaux lourds ou des produits chimiques que nous transformons en huile et étalons sur une toile ou une voiture : le cobalt devient bleu ; rouge ocre; jaune de cadmium. “Mais la nature a une façon très différente de créer la couleur que nous”, dit Chanda. Certains des looks les plus vivants de la nature – ceux portés par les paons, les coléoptères et les papillons – font leur travail sans pigment.
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Ces couleurs proviennent de la topographie. Des paysages submicroscopiques sur les surfaces extérieures des plumes de paon, des carapaces de coléoptères et des ailes de papillon diffractent la lumière pour produire ce que l’on appelle de construction couleur. Il est plus durable et sans pigment. Et pour les scientifiques, c’est la clé pour créer une peinture qui est non seulement meilleure pour la planète, mais qui pourrait aussi nous aider à vivre dans un monde plus chaud.
Dans un article publié ce mois-ci dans Avancées scientifiquesle laboratoire de Chanda a démontré une peinture unique en son genre basé sur la couleur structurelle. Ils pensent que c’est la peinture la plus légère au monde, et ils le pensent à la fois en termes de poids et de température. La peinture se compose de minuscules flocons d’aluminium parsemés de nanoparticules d’aluminium encore plus petites. La valeur d’un raisin sec pourrait couvrir à la fois l’avant et l’arrière d’une porte. Il est suffisamment léger pour potentiellement réduire la consommation de carburant dans les avions et les voitures qui en sont recouverts. Il ne retient pas la chaleur du soleil comme le font les pigments, et ses constituants sont moins toxique que les peintures faites avec métaux lourds comme le cadmium et le cobalt.
Dayna Baumeister, codirectrice du Biomimicry Center de l’Arizona State University, n’est pas surprise que la peinture ait autant de fonctions cachées. « C’est une démonstration fantastique de ce qui est possible lorsque nous repensons nos conceptions en demandant conseil à la nature », dit-elle.
Malgré toutes ses imperfections, la peinture est difficile à battre. Les gens utilisent des pigments depuis des millénaires, donc les astuces pour obtenir le bon look ont été maîtrisées par les fabricants de peinture. « Ils savent exactement quel additif ajouter pour modifier la brillance ; ils peuvent le rendre plus lumineux ou atténué – ils ont tout compris au cours de centaines d’années », explique Chanda.
Les nouvelles formes de peinture doivent innover au-delà de cela, dans le domaine de la physique, pas seulement de l’esthétique. Pourtant, les membres du laboratoire de Chanda sont tombés sur leur innovation par accident. Ils n’avaient pas prévu de faire de la peinture. Ils voulaient fabriquer un miroir, en particulier un long miroir continu en aluminium, construit à l’aide d’un instrument appelé évaporateur à faisceau d’électrons. Mais à chaque tentative, ils remarquaient de petits “nanoislands”, des amas d’atomes d’aluminium suffisamment petits pour être invisibles mais suffisamment grands pour perturber l’éclat du miroir. Des nano-îles apparurent sur toute la surface de ce qui n’était plus – ce qui était frustrant – un miroir continu. “C’était vraiment ennuyeux”, se souvient Chanda.
Puis vint une épiphanie : cette perturbation faisait quelque chose utile. Lorsque la lumière blanche ambiante frappe les nanoparticules d’aluminium, les électrons du métal peuvent être excités, ils oscillent ou résonnent. Mais lorsque les dimensions plongent dans l’échelle nanométrique, les atomes deviennent encore plus pointilleux. Selon la taille de la nanoparticule d’aluminium, ses électrons n’oscilleront que pour certaines longueurs d’onde de lumière. Cela renvoie la lumière ambiante comme une fraction de ce qu’elle était : une seule couleur. La superposition de particules d’aluminium sur une surface réfléchissante – comme ce miroir qu’ils avaient essayé de construire – avait amplifié l’effet coloré.
Quelle couleur? Cela dépend de la taille des nano-îlots. “Juste en déplaçant la dimension, vous pouvez réellement créer tous couleurs », dit Chanda. Contrairement aux pigments, qui nécessitent une molécule de base différente, comme le cobalt ou bave d’escargot violet— pour chaque couleur, la molécule de base de ce processus est toujours de l’aluminium, juste coupé en morceaux de différentes tailles qui oscillent pour éclairer à différentes longueurs d’onde.
Il était temps de faire de la peinture. Le processus du groupe commence par une très fine feuille de miroir double face. Les chercheurs ont recouvert chaque côté d’un matériau d’espacement transparent qui aide à amplifier l’effet de couleur. Ensuite, ils ont fait pousser des îlots de nanoparticules métalliques des deux côtés de la feuille. Pour rendre ce matériau compatible avec les liants ou les huiles utilisés dans la peinture, ils en ont dissous de grandes feuilles en flocons colorés à peu près aussi fins que du sucre en poudre. Enfin, une fois qu’ils avaient créé suffisamment de couleurs pour un petit arc-en-ciel, ils pouvaient peindre un papillon.
Parce que la couleur structurelle peut recouvrir une surface entière avec juste une fine couche ultralégère, Chanda pense que cela changera la donne pour les compagnies aériennes. Un Boeing 747 a besoin d’environ 500 kilogrammes de peinture. Il estime que sa peinture pourrait couvrir la même surface avec 1,3 kg. C’est plus de 1 000 livres rasées sur chaque avion, ce qui réduirait la quantité de carburant nécessaire par voyage.
Perry Flint, porte-parole de l’International Airline Trade Association, trouve cette possibilité plausible. “Étant donné que le carburant est déjà la plus grande dépense d’exploitation [about 30 percent last year], les compagnies aériennes sont toujours intéressées à améliorer l’efficacité énergétique », a-t-il écrit dans un e-mail à WIRED. La création de nouvelles formes efficaces de cellules et de moteurs est essentielle, dit-il, mais la perte de poids entraîne également d’énormes économies. Lorsqu’American Airlines a abandonné seulement 67 livres de manuels de pilotage par vol, la compagnie a estimé qu’elle économiserait 400 000 gallons de carburant et 1,2 million de dollars par an. En 2021, AA a introduit une nouvelle peinture qui réduit le poids des 737 de 62 livres, économie de 300 000 gallons une année.
La peinture structurelle peut également durer plus longtemps. (Certaines compagnies aériennes repeignent les avions tous les quatre ans.) Les molécules de pigment se décomposent à la lumière du soleil, mais la couleur structurelle ne le fait pas, elle ne s’estompe donc pas. “Nous avons toutes ces façons d’essayer de fixer le pigment, d’essayer de l’empêcher de s’oxyder et de perdre sa couleur. Ou il se fane et nous le jetons à la décharge », explique Baumeister, qui est également cofondateur du cabinet de conseil Biomimétisme 3.8. “Mais lorsque vous avez besoin que la couleur dure éternellement – pour la vie de l’organisme – la couleur structurelle est préférée.”
L’équipe de Chanda a également réalisé que, contrairement à la peinture conventionnelle, la peinture structurelle n’absorbe pas le rayonnement infrarouge et ne retient donc pas la chaleur. (“C’est la raison pour laquelle votre voiture devient chaude sous le soleil brûlant”, dit-il.) La nouvelle peinture est intrinsèquement refroidissement en comparaison : sur la base des expériences préliminaires du laboratoire, il peut garder les surfaces de 20 à 30 degrés Fahrenheit plus fraîches que la peinture conventionnelle.
Baumeister pense qu’il a des utilisations bien au-delà de l’aviation, y compris dans la médiation de l’effet « d’îlot de chaleur urbain », qui crée des températures élevées, parfois même mortelles, dans les villes. « Vous pouvez imaginer des voitures. Vous pouvez imaginer des trottoirs », dit-elle. “Même les produits de construction où esthétiquement les gens aimeraient un ton plus sombre – qu’il s’agisse d’une terrasse ou d’un revêtement – mais bien sûr cela augmente la charge thermique sur le bâtiment.” (Certains chercheurs expérimentent déjà l’utilisation de peinture pour refroidir les toits et les trottoirs.)
Et garder les bâtiments frais sans utiliser d’électricité créerait une infrastructure plus durable. “Si la température extérieure est de 95 degrés et si vous pouvez la maintenir en dessous de 80 degrés, il y a d’énormes économies de courant alternatif et d’énergie”, explique Chanda.
Faire évoluer la production des flacons aux cuves sera un défi, quelque chose que le laboratoire de Chanda espère tenter avec des partenaires commerciaux. (“Un laboratoire universitaire n’est toujours pas une usine”, dit-il.) D’après elle expérience de conseil en biomimétisme, Baumeister prédit que les premières applications pourraient être petites : peut-être pour l’électronique ou dans la fabrication sensible à la chaleur. Mais elle garde espoir que les innovations bio-inspirées atteindront les plus grandes échelles, comme les infrastructures urbaines. “L’avenir de l’humanité sur la planète repose sur la recherche d’un moyen de nous aligner sur la nature”, dit-elle.
