Etude de nanofabrication et de coloration d'ailes artificielles de papillon Morpho avec couches de lamelles alignées

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 16637 (2015) Citer cet article

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La couleur bleue vive et irisée des ailes du papillon Morpho attire depuis longtemps l'attention du monde entier pour explorer sa nature mystérieuse. Bien que la physique de la couleur structurelle par les structures nanophotoniques construites sur les écailles des ailes soit bien établie, la réplication de la structure de l'aile par lithographie descendante standard reste encore un défi. Cet article rapporte une avancée technique pour imiter la couleur bleue des ailes de papillon Morpho, en développant un nouveau procédé de nanofabrication, basé sur la lithographie par faisceau d'électrons combinée à un développement/dissolution alterné de PMMA/LOR, pour des structures photoniques à lamelles multicouches alignées dans des polymères incolores. La relation entre la coloration et les dimensions géométriques ainsi que les formes est systématiquement analysée en résolvant les équations de Maxwell avec un simulateur de différence de temps à domaine fini. Une caractérisation minutieuse du bleu imité par des mesures spectrales sous des angles normaux et obliques est effectuée. La couleur structurelle en bleu, reflétée par les écailles des ailes fabriquées, est démontrée et étendue au vert en tant qu'exercice d'application de la nouvelle technique. Les effets de la régularité des répliques sur la coloration sont analysés. En principe, cette approche constitue un point de départ pour imiter les couleurs structurelles au-delà du bleu des ailes du papillon Morpho.

La couleur structurelle est fréquemment observée chez les papillons1,2,3,4,5, les coléoptères6 et les animaux marins7,8, etc. Parmi eux, les exemples les plus cités sont les papillons Morpho9,10,11,12, vivant en Amérique du Sud. La coloration des ailes du papillon présente un certain nombre de caractéristiques uniques telles qu'une large irisation bleue, un éclat brillant, des aspects mouchetés, une résistance élevée à la décoloration, une sensibilité élevée à l'environnement et des spectres indépendants de l'angle . Depuis la première observation de la structure interne avec un puissant microscope électronique à balayage (MEB)15, des recherches approfondies sur l'origine de la coloration par les nanostructures élaborées des ailes de papillon Morpho ont été largement menées16,17,18, motivées par de nombreuses applications potentielles. Les applications anticipées comprennent les vêtements textiles irisés19, les revêtements fonctionnels20, les codes de sécurité couleur incomparables21, les cellules solaires efficaces22, les capteurs de gaz hautement sélectifs23,24, les capteurs chimiques dotés d'une sensibilité et d'une sélectivité excellentes25,26 et les dispositifs d'imagerie infrarouge à grande vitesse27,28, etc. Pour réussir à interpréter la coloration avec précision, il faut établir une méthodologie technique fiable pour l'architecture de la structure périodique à l'échelle micro et nanométrique à l'échelle des ailes de papillon, ce qui constitue également une étape inévitable vers ses applications dans la vie quotidienne. Comme le montre schématiquement l'architecture originale de la figure 1a, l'écaille de l'aile est recouverte de crêtes parallèles dont les hauteurs sont aléatoires les unes par rapport aux autres. La paroi latérale de chaque crête présente en fait une structure lamellaire constituée de couches alternées de cuticule et d'air. Ce type de nanostructures constitue un défi de taille en matière de réplication en raison des variations 3D du profil. Pourtant, de nombreuses tentatives ont été signalées. Saito et al.29,30 et Chung et al.31 ont imité la couleur bleue avec une vision angulaire large par dépôt multicouche de TiO2/SiO2 sur une sous-structure irrégulière. Watanabe et al.32 ont fabriqué une réplique des écailles de papillon Morpho et ont observé la réflexion de la couleur bleue en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur par faisceau d'ions focalisé (FIB-CVD). Huang et al.33, Zhang et al.34,35,36, Kang et al.37 et Chen et al.38,39 ont utilisé des papillons comme bio-modèles pour synthétiser les nanostructures 3D par des oxydes métalliques ou du polydiméthylsiloxane (PDMS) et ont rapporté que la réplique peut refléter différentes couleurs avec différentes tailles de réseau et indices de réfraction. Cependant, toutes les approches rapportées n’étaient pas basées sur un processus de nanolithographie descendant standard offrant une grande surface, un rendement élevé et un faible coût. Une seule exception est qu'Aryal et al.40 ont récemment introduit une méthode de nanofabrication sur de grandes surfaces par des techniques industrialisées et de nanoimpression ultérieure d'écailles d'ailes de papillon en 3D. Malheureusement sa coloration optique n'est pas caractérisée. De plus, la plupart des nanostructures imitées utilisent des matériaux inorganiques, ce qui donne aux répliques une couleur différente du vrai papillon Morpho, car les propriétés optiques des matériaux inorganiques sont différentes de celles de la cuticule des véritables écailles des ailes du papillon.