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Aug 31, 2023

Actualités Optique & Photonique

Stewart Wills Des chercheurs de l'Université de Shenzhen, en Chine, auraient créé un « film rafraîchissant », basé sur le modèle du papillon Morpho, capable de produire une couleur bleue constante, tout en

Stewart Wills

Des chercheurs de l’Université de Shenzhen, en Chine, auraient créé un « film refroidissant », basé sur le modèle du papillon Morpho, capable de produire une couleur bleue constante, tout en atteignant un refroidissement radiatif 2°C en dessous de la température ambiante. [Image : Wanlin Wang, Université de Shenzhen]

Face aux inquiétudes croissantes concernant le changement climatique, l'intérêt s'est accru pour le refroidissement radiatif, des approches basées sur des matériaux qui permettent un refroidissement passif des objets en dessous des températures ambiantes, sans systèmes de climatisation énergivores. Mais un monde d’objets refroidis par rayonnement s’annonce plutôt fade. Sans surprise, la plupart des matériaux de refroidissement passif ont tendance à être de couleur blanche, pour absorber le moins possible le spectre solaire.

Un certain nombre de groupes de recherche étudient des moyens de contourner cette logique et de créer des matériaux à refroidissement radiatif et présentant également un peu de couleur. Dans un exemple récent, une équipe de l'Université de Shenzhen, en Chine, aurait créé un film d'un bleu riche qui, selon l'équipe, peut réduire la température des objets revêtus à 2°C en dessous des niveaux ambiants (Optica, doi : 10.1364). /OPTICA.487561).

Le film réalise cet exploit en combinant une couleur dite structurelle avec le contrôle du profil d'absorption et d'émission du matériau sur une gamme de longueurs d'onde. Le sac à astuces comprend, de manière cruciale, l'utilisation d'une surface miroir argentée à la base de la structure qui évite la chaleur du soleil en réfléchissant pratiquement tout le spectre solaire. Et la modélisation de l'équipe suggère qu'en peaufinant davantage les matériaux, les chercheurs pourraient obtenir un refroidissement passif à plus de 10 °C en dessous de la température ambiante, sans aucun climatiseur en vue.

Tel qu'il est conçu classiquement, le refroidissement radiatif tire parti de la transparence de l'atmosphère terrestre aux rayonnements dans les longueurs d'onde de l'infrarouge moyen (MIR), comprises entre 8 et 13 µm environ. En concevant des matériaux pour qu'ils émettent préférentiellement à ces longueurs d'onde, l'énergie thermique peut en principe être dérivée à travers l'atmosphère pour rayonner dans la froideur de l'espace extra-atmosphérique, le puits de chaleur ultime. Mais un système fonctionnel nécessite également un contrôle minutieux des autres longueurs d’onde. En particulier, le système doit absorber le moins possible la lumière visible et proche infrarouge (NIR) du soleil, pour éviter de chauffer l'objet de l'extérieur.

Les mécanismes de refroidissement radiatif ont donné naissance à des matériaux innovants, notamment, récemment, une cape thermique « Janus » à deux couches qui serait capable de garder les objets au frais en été et au chaud en hiver. Mais dans ce cas comme dans bien d’autres, le matériau à refroidissement radiatif est disponible uniquement en blanc de base, afin d’optimiser la réflexion du rayonnement visible et NIR du soleil.

Pour surmonter cette image monochromatique, l’équipe de l’Université de Shenzhen, dirigée par Guo Ping Wang, a cherché à créer un matériau à refroidissement radiatif avec une touche de couleur structurelle. De tels schémas de coloration, observés dans des exemples naturels allant des plumes de paon aux coquilles de coléoptères, permettent d'obtenir une coloration brillante et saturée grâce à la diffusion et à l'interférence de la lumière grâce aux micro et nanostructures intégrées dans les écailles, les plumes et d'autres caractéristiques.

Comme de nombreux chercheurs travaillant sur la couleur structurale, l’équipe de Shenzhen cite notamment l’exemple du papillon Morpho bleu. Contrairement aux exemples de couleurs structurelles tels que les plumes de paon, qui offrent un jeu de couleurs différentes et irisées lorsque l'angle de vue change, les ailes du Morpho scintillent d'un bleu brillant et saturé qui est cohérent sous une gamme d'angles de vue. Des travaux antérieurs ont lié ces caractéristiques à une combinaison d'une structure multicouche ou grillagée dans les ailes de l'insecte, pour créer la couleur structurelle, et à un degré suffisant de désordre ou de hasard pour éliminer la dépendance directionnelle de la couleur.

La structure à trois couches développée par l'équipe de Shenzhen comprend une multicouche supérieure pour créer une couleur structurelle, une couche intermédiaire en verre dépoli pour refléter de manière diffuse la couleur et réduire sa dépendance à l'angle, et une couche réfléchissante inférieure en argent pour éliminer l'absorption des longueurs d'onde solaires et évitez ainsi le chauffage solaire. [Image : Wanlin Wang, Université de Shenzhen] [Agrandir l'image]