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Sustainable routes for Smart photonic Materials

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Imiter les plumes d’oiseaux pour recréer les couleurs chatoyantes de la nature

Les couleurs irisées comme celles que l’on trouve sur les filigranes holographiques des documents d’identité existent depuis environ 20 ans, mais leur utilisation s’est limitée à des applications telles que la sécurité et les cosmétiques. Une initiative de l’UE entend introduire une méthodologie de rupture qui permettra de produire ce type de pigments en utilisant uniquement des matériaux naturels comme la cellulose et la chitine: les deux biopolymères les plus abondants sur Terre.

Recherche fondamentale
Santé

Les couleurs structurelles sont le résultat de la réflexion de la lumière par des nanostructures complexes. Dans la nature, on les trouve dans les plumes d’oiseaux, certains fruits ou l’extérieur des carapaces des coléoptères. Ces nanostructures produisent souvent des couleurs iridescentes: l’objet prend une coloration différente selon l’angle sous lequel on l’observe, phénomène que les couleurs produites à partir de pigments chimiques ne permettent pas d’obtenir. Grâce à un financement de l’UE par le biais d’une subvention du Conseil européen de la recherche (CER), le projet SeSaMe s’est donné pour objectif de fabriquer et de caractériser optiquement des structures photoniques en utilisant uniquement des matériaux naturels. Silvia Vignolini, bénéficiaire de la subvention du CER et chercheuse principale du projet explique: «En étudiant les architectures naturelles qui produisent des couleurs structurelles, nous sommes parvenus à comprendre leur conception et à les “imiter” en laboratoire.» «Parallèlement, nous avons répondu à des questions fondamentales sur leur signification biologique et nous avons pu comprendre certains des processus biologiques à l’œuvre lorsque de telles structures sont générées.» «En comprenant comment la cellulose peut être exploitée comme matériau optique, nous avons contribué à accroitre nos connaissances», poursuit-elle. Toujours selon Silvia Vignolini, la contribution la plus importante que les scientifiques peuvent apporter à la société consiste à développer et à former des doctorants et des post-doctorants à la réflexion critique et à la résolution de problèmes complexes.

Comprendre la formation des structures photoniques dans la nature

L’activité de recherche interdisciplinaire de SeSaMe a une influence sur divers domaines allant de la chimie et de la physique de la matière molle à la biologie de l’évolution. Les scientifiques sont parvenus à comprendre comment les nanostructures naturelles peuvent produire un large éventail d’effets optiques. Ces travaux menés sur les couleurs photoniques naturelles auront également un impact en matière d’applications industrielles. Les résultats obtenus dans le contrôle de la couleur des colonies bactériennes par la génétique sont d’ores et déjà exploités par Hoekmine, une entreprise de biotechnologie basée aux Pays-Bas. Grâce à SeSaMe, Silvia Vignolini s’est imposée comme une spécialiste mondiale dans le domaine de la biomimétique. En 2018 et 2019, elle a reçu plusieurs prix de mérite scientifique pour ses travaux sur les matériaux optiques bio-inspirés, pour ses contributions à la science des matériaux, à la cellulose et à la chimie des matériaux, et pour ses réalisations dans le domaine des nanotechnologies et des nanosciences.

Nouvelles stratégies pour améliorer les performances des matériaux photoniques à base de cellulose

«Nous avons été les premiers à utiliser la cellulose pour produire des structures photoniques en tant que pigments durables et biocompatibles», explique Silvia Vignolini. Ses recherches sur l’auto-assemblage de la cellulose en gouttelettes microfluidiques, brevetée et publiée en 2016, lui ont permis d’être l’avant-garde dans ce domaine. «Ces travaux ont eu une grande influence. Des entreprises du monde entier, ainsi que des stagiaires post-doctoraux talentueux qui ont rejoint mon groupe, poursuivent cette activité et tentent d’exploiter nos pigments nouvellement développés pour des produits du quotidien.» Les derniers travaux de SeSaMe ont porté sur la mise au point d’une méthodologie robuste et simple pour fabriquer des films colorés à partir d’un dérivé de cellulose biocompatible et comestible qui est généralement exploité dans la crème fouettée et la glace comme épaississant alimentaire. «Nous pouvons utiliser des matériaux comestibles et biocompatibles pour fabriquer des films colorés, ce qui constitue une étape importante pour le développement futur de colorants utilisant des matériaux durables», explique encore Silvia Vignolini. «Nous avons cruellement besoin de produits plus durables qui ne nuisent pas à la planète», conclut-elle. «La nature a conçu et a optimisé ces matériaux pour des fonctions spécifiques. Donc, si nous découvrons de quoi ils sont faits et comment les fabriquer, nous pouvons les exploiter dans le cadre de technologies véritablement durables.» Découvrir de nouvelles façons de tirer parti des ressources naturelles, comme les polysaccharides, pour produire des matériaux fonctionnels est crucial pour la fabrication des matériaux de demain.

Mots‑clés

SeSaMe, matériaux, cellulose, structures photoniques, matériaux photoniques, pigment

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