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Les systèmes vivants possèdent une capacité remarquable d'adaptation à leur environnement: l'œil humain ajuste sa sensibilité à la lumière, les plantes régulent leur hydratation. Ils optimisent en permanence leurs fonctions pour maintenir un équilibre face aux variations de leur environnement. Reproduire une telle autonomie dans des matériaux artificiels constitue un défi majeur en science des matériaux.
a: Dispositif de nano-antennes plasmoniques intégré dans une matrice MOF.
b–c: Observation de la diffusion lumineuse à 850 nm des antennes, et de son évolution dans le temps sous irradiation laser.
d–e: Variation de l'intensité de diffusion normalisée au cours du temps, mesurée pour l'ensemble du réseau et pour une antenne individuelle.
En effet, actuellement, la plupart des matériaux dits "intelligents" nécessitent une commande ou un stimulus externe pour modifier leur comportement: par exemple, les polymères à mémoire de forme retrouvent une forme initiale lorsqu'ils sont chauffés, les matériaux piézoélectriques produisent une tension électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique. À l'inverse, l'autorégulation repose sur une réponse autonome fondée sur des boucles de rétroaction, encore difficiles à mettre en œuvre dans les systèmes artificiels.
Pour dépasser cette limite, des scientifiques du laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris (CNRS / Sorbonne Université), du Laboratoire Charles Fabry (CNRS / Université Paris-Saclay) et du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (CNRS / Université Paris-Saclay) proposent un dispositif capable d'auto-réguler son absorption de lumière en fonction de son intensité. Il repose sur l'association de deux briques complémentaires: une métasurface plasmonique de nano-antennes d'or, capables d'absorber la lumière et de la convertir en chaleur, et un film poreux de type Metal-Organic Framework (MOF), sensible à la température.
En présence de vapeur, le film de MOF modifie son indice optique lorsqu'il chauffe. Ce changement décale la résonance des nano-antennes et réduit leur l'absorbance. Ainsi, lorsque l'intensité lumineuse augmente, le système absorbe automatiquement moins de lumière et limite son échauffement. Cette boucle de rétroaction thermo-optique confère au dispositif un comportement auto-régulé, comparable à celui d'un thermostat à l'échelle nanométrique.
Fait remarquable, cette auto-régulation n'est pas statique. À l'échelle d'une seule nano-antenne, les chercheurs ont observé des oscillations spontanées sous un éclairage constant. Un comportement, comparable à celui d'un moteur à vapeur alimenté par la lumière qui repose sur le décalage temporel entre l'échauffement rapide des nano-antennes et la réponse plus lente du matériau poreux.
Ces résultats, publiés dans la revue Nature Communications, ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux autonomes capables de s'adapter et d'évoluer sans contrôle externe. À terme, ils pourraient trouver des applications dans l'optique adaptative, la gestion thermique, les capteurs intelligents ou encore des dispositifs capables de fonctionner selon des rythmes programmés, à l'image des systèmes biologiques.