Un écran inspiré de la peau de calmar affiche des images cryptées à l'aide de simples aimants
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Inspirés par la peau changeante des calmars et autres céphalopodes, des chercheurs ont mis au point un écran souple capable de stocker et d'afficher des images cryptées sans utiliser d'électronique - uniquement de minuscules particules magnétiques.
Depuis un certain temps, les scientifiques s'amusent avec les métamatériaux, des matériaux conçus pour avoir des propriétés que l'on ne trouve pas habituellement dans la nature, afin de créer des choses aussi disparates que des capes d'invisibilité et des ultrasons pénétrant dans les os. Les métamatériaux mécaniques, en particulier, sont capables d'un comportement programmable grâce à l'interaction entre le matériau et la structure, ce qui permet d'obtenir des fonctionnalités avancées qui vont au-delà de leurs propriétés mécaniques.
Les chercheurs explorent les possibilités d'utilisation des métamatériaux mécaniques dans le traitement de l'information et l'informatique. Cependant, leur utilisation est limitée car ils reposent sur des mécanismes qui se plient, se courbent et se déforment, ce qui est difficile à miniaturiser. Aujourd'hui, des ingénieurs de l'université du Michigan (U-M) ont mis au point un écran d'affichage flexible qui utilise des champs magnétiques au lieu de l'électronique pour révéler les images. Cet écran s'inspire de la peau de calmar.
« C'est l'une des premières fois que des matériaux mécaniques utilisent des champs magnétiques pour le cryptage, le traitement de l'information et l'informatique au niveau du système », a déclaré Joerg Lahann, professeur de génie chimique à l'université du Michigan et coauteur de l'étude. Abdon Pena-Francesch, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et l'autre auteur correspondant, explique comment les chercheurs ont développé l'écran dans la vidéo ci-dessous.
Un écran utilisant des pixels magnétiques stocke et affiche des images cryptées sans électronique
Mais quel est le rôle du calmar ? Les calmars et autres céphalopodes possèdent des chromatophores dans la couche supérieure de la peau, des organes qui contiennent des sacs de pigments qui se dilatent et se contractent rapidement sous le contrôle des muscles. L'action collective des chromatophores permet au calmar d'adapter la couleur et le motif de sa peau en fonction de son objectif : camouflage, prédation ou accouplement. C'est la contraction et l'expansion des chromatophores qui ont inspiré les chercheurs et les ont aidés à décider de la résolution de l'écran.
« Si les billes sont trop petites, les changements de couleur ne sont plus visibles », explique Zane Zhang, doctorant en science et ingénierie des matériaux et auteur principal de l'étude. « Les sacs pigmentaires du calmar ont une taille et une distribution optimales pour donner un contraste élevé, et nous avons donc adapté les pixels de notre dispositif à leur taille".
Les sacs pigmentaires de la peau de calmar qui ont inspiré les chercheurs
Les « pixels » sont en fait un essaim de particules de Janus magnétoactives (MAJP). Les particules Janus sont des nanoparticules spéciales dont les surfaces présentent deux ou plusieurs propriétés physiques distinctes. Ici, les chercheurs ont créé des MAJP à deux compartiments composés de microparticules ferromagnétiques de néodyme (NdFeB) et de nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPION) dans un compartiment et d'un pigment d'oxyde de titane (TiO2) dans l'autre.
En exploitant les mécanismes de commutation du MAJP, les chercheurs pourraient utiliser un champ magnétique pour programmer un essaim de particules dans plusieurs états. Ils pourraient, par exemple, définir deux états - « on » et « off » - déterminés par l'orientation des MAJP et la couleur qu'elles affichent collectivement : le compartiment de fer vers le haut est orange ; le compartiment de titane vers le haut est blanc.
De cette manière, les MAJP, qui ressemblent à des pixels, passent de l'orange au blanc en fonction de la direction de l'aimantation - ou de la polarisation - du champ magnétique appliqué. Pour les MAJP fabriquées avec des particules magnétiques d'oxyde de fer, la polarisation peut être modifiée avec des champs magnétiques relativement faibles. En revanche, la polarisation des MAJP contenant également des particules de néodyme a nécessité une forte impulsion magnétique.
Le fait de tenir l'écran au-dessus d'une collection d'aimants de différentes forces et orientations a modifié sélectivement la polarisation dans certaines parties de l'écran, faisant passer certains pixels au blanc et d'autres à l'orange sous l'effet d'un même champ magnétique. Une image a ainsi été codée.
Les chercheurs démontrent le cryptage dans un écran magnétique
Les nanoparticules d'oxyde de fer pouvant être reprogrammées à l'aide de champs magnétiques relativement faibles, il est possible d'afficher des images privées à l'aide d'une seconde grille magnétique qui réécrit sélectivement la manière dont certaines parties de l'écran basculent. Lorsque les particules d'oxyde de fer sont replacées dans l'aimant standard, elles reprennent leur polarisation d'origine et l'image publique est affichée.
Une image publique peut contenir plusieurs images privées, chacune avec une clé de décodage unique qui peut être programmée pour fonctionner uniquement avec des clés de codage spécifiques, ce qui ajoute une couche de sécurité supplémentaire.
« Ce dispositif peut être programmé pour afficher des informations spécifiques uniquement lorsque les bonnes clés sont fournies », a déclaré Mme Pena-Francesch. « Et il n'y a pas de code ou d'électronique à pirater. Il pourrait également être utilisé pour des surfaces à couleur changeante, par exemple sur des robots camouflés. »
Pixels magnétiques : Des chercheurs font la démonstration d'un écran qui affiche des images en utilisant uniquement des champs magnétiques.
Rappelant un Etch-A-Sketch (l'Ecran Magique), le jouet de dessin mécanique à cadre rouge qui existe depuis la fin des années 1950, le fait de secouer l'écran efface l'affichage. En l'exposant à nouveau à un champ magnétique, l'image réapparaît.
Selon les chercheurs, l'écran est conçu pour être utilisé lorsque la lumière et l'électricité ne sont pas pratiques ou souhaitables, par exemple sur les vêtements, les autocollants, les badges d'identification, les codes-barres et les lecteurs de livres électroniques.