Tel un tournesol, un polymère qui se tourne vers la lumière

Beaucoup d’êtres vivants sont dotés de phototropisme, la capacité de suivre une source lumineuse et de s’y aligner. Les exemples les plus connus sont les plantes qui s’orientent vers le Soleil tout au long de la journée : nous penserons immédiatement, à juste titre, au tournesol.

La création d’un matériau artificiel capable de faire de même s’est avérée difficile.

Il existe des matériaux artificiels « intelligents » qui peuvent se déplacer sans direction en réponse à un stimulus, c’est ce qu’on appelle le comportement “nastique” (peut-être un néologisme, de la part du Guru, du terme nastie), mais jusqu’à présent, aucun matériau synthétique n’a été capable de présenter un comportement tropistique (ici, réaction d’orientation orientée d’un organisme végétal causée par des agents physiques).

Cette semaine, des chercheurs américains ont révélé dans une étude un matériau polymère nanostructuré qui, sous la forme de petites tiges cylindriques, est capable de suivre un faisceau lumineux, un peu comme le font les tournesols.

Xiaoshi Qian, Yusen Zhao et Yousif Alsaid, de l’université de Californie à Los Angeles, et leurs collègues ont utilisé un nanomatériau photoréactif qui absorbe efficacement la lumière et la transforme en chaleur, en la combinant avec un polymère thermoréactif qui se contracte en chauffant.

Ils ont ensuite façonné le matériau obtenu en petits cylindres. Lorsque la lumière frappe les cylindres, ils l’absorbent et deviennent plus chauds, mais seulement du côté faisant face à la source lumineuse.

Lorsque le matériau se contracte du côté éclairé, le cylindre se penche vers le faisceau lumineux. Une fois que le haut du cylindre est aligné avec la lumière, la partie inférieure de la tige, maintenant à l’ombre de la lumière, refroidit et se contracte, ce qui arrête le mouvement du cylindre.

Les cylindres peuvent suivre un faisceau lumineux en continu dans une large gamme de directions, un trait que les chercheurs suggèrent d’utiliser pour améliorer l’efficacité des matériaux qui collectent la lumière, car les cylindres plient de façon autonome pour exposer la pointe à une quantité maximale de lumière.

Le système est appelé “suiveur omnidirectionnel biomimétique de type tournesol” (SunBOT pour Sunflower-like Biomimetic Omnidirectional Tracker).

Les SunBOT peuvent se réorienter de manière adaptative pour suivre et s’orienter perpendiculairement à la lumière incidente dans des directions arbitraires et variables en permanence (zénith à 150°, azimut à 360°) à température ambiante. (Ximin He)

Les résultats de l’équipe de recherche montrent qu’un ensemble de SunBOT peut, en principe, être utilisé dans des dispositifs de production de vapeur solaire, des équipements qui peuvent extraire l’eau douce de l’eau de mer ou des eaux usées.

Si la lumière les frappe à des angles obliques, les SunBOTs peuvent atteindre une amélioration de 400% de la collecte d’énergie solaire par rapport aux matériaux artificiels nastiques.

Les auteurs sont, à juste titre, optimistes quant aux applications possibles des SunBOTs.

Ils concluent leur étude en déclarant :

Le degré presque infini de liberté dans la locomotion adaptative peut conduire à des robots souples autonomes, non attachés, capables d’apprendre en temps réel et d’exécuter des tâches complexes dans divers environnements.

Ce travail peut être utile pour les capteurs solaires améliorés, les récepteurs de signaux adaptatifs, les fenêtres intelligentes, la robotique autonome, les voiles solaires pour les vaisseaux spatiaux, la chirurgie guidée, les dispositifs optiques autorégulateurs et la production d’énergie intelligente (par exemple, cellules solaires et biocarburants), ainsi que la détection et le suivi énergétiques des émissions avec des télescopes, radars et hydrophones.

L’étude publiée dans Nature Nanotechnology : Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light.