Bien plus que des couleurs
Les couleurs peuvent être créées de manières très différentes. Mais la richesse des couleurs n'est pas seulement belle à voir, les couleurs peuvent aussi avoir une fonction importante.
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![Chocolat irisé multicolore](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/06/globe-viel-mehr-als-bunt/_jcr_content/articleLeadImage/image.imageformat.carousel.631202905.jpg)
"Pourquoi le chocolat est brun, c'est un peu comme pourquoi le ciel est bleu", dit Ralph Spolenak. Il est professeur de nanométallurgie au Département de science et ingénierie des matériaux de l'ETH Zurich. Ce sont les particules - celles de la poudre de cacao dans le cas du chocolat, les molécules d'air dans l'atmosphère - qui diffusent la lumière de telle sorte que seule la partie brune ou bleue parvient finalement à nos yeux. Les particules déterminent également l'intensité de la couleur. Plus il y a de cacao dans le chocolat, plus son influence sur la diffusion des rayons lumineux incidents est importante et plus le chocolat est foncé.
Henning Galinski, collaborateur au sein du groupe de recherche de Spolenak, s'est attaqué à la science du chocolat : "Nous avons considéré le chocolat comme un matériau optique et nous nous sommes demandé s'il était possible de colorer le chocolat sans ajouter de substances supplémentaires". Pour ce faire, le physicien a travaillé de manière intensive avec les groupes de recherche de l'ETH sur les matériaux complexes et sur la technologie des procédés alimentaires, ainsi qu'avec la haute école spécialisée du nord-ouest de la Suisse.
Dans un premier temps, l'équipe s'est intéressée non seulement à la diffusion de la lumière, mais aussi à la réflexion de la lumière. Lors du processus de réflexion, le rayon lumineux tombe sur une surface et, contrairement à la diffusion, il est réfléchi selon un angle fixe. C'est ce qui se passe par exemple sur les surfaces métalliques ou les miroirs. "Nous avons gravé un profil spécifique dans la surface du chocolat afin de diffracter la lumière réfléchie sur ce réseau optique", explique Galinski. Le profil divise ainsi les rayons lumineux incidents en ses couleurs spectrales : Le chocolat scintille dans les plus belles couleurs de l'arc-en-ciel - et ce, sans aucune modification chimique ni revêtement supplémentaire.
? l'?il nu
"Le chocolat irisé est visuellement attrayant. Mais cela dépend bien s?r toujours de l'?il de l'observateur", estime Spolenak. Mais les couleurs peuvent être bien plus qu'attrayantes. Et elles peuvent tout à fait être jugées objectivement. Galinski revient en arrière : "Nous nous étions demandé si nous pouvions utiliser les couleurs pour lire les propriétés des matériaux". Par exemple, comment la dureté d'un alliage change-t-elle lorsqu'il est chaud ?
Le scientifique raconte une application concrète : Si une turbine d'une éolienne surchauffe, le matériau peut être endommagé. Il devient instable. Mais surveiller les turbines des parcs éoliens en pleine mer avec un hélicoptère est compliqué et très co?teux. "Nous avons développé un système permettant de lire en permanence les changements de propriétés à l'aide d'une simple mesure optique", explique Galinski. "Nous avons pu associer directement un changement de couleur à un changement de dureté du matériau ou à un changement de résistance électrique".
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Galinski donne un autre exemple : en collaboration avec l'Empa, les scientifiques de l'ETH ont appliqué le concept de capteur aux textiles. "Nous avons appliqué un système thermochromique sur des fibres textiles qui signale en couleur les dommages matériels dus à la chaleur", ce qui peut sauver des vies dans certaines circonstances. Les pompiers sont souvent exposés à des situations qui sont très critiques. Si un matériau comme une corde ou un vêtement surchauffe en raison d'un incendie ou d'un frottement important, sa fonction est compromise. Le changement de couleur signale le dommage et avertit de la nécessité de continuer à l'utiliser.
La couleur devient ainsi le reflet de la fonction et une composante sensorielle. "En effet, nous, les humains, évaluons toute la journée notre environnement en fonction des couleurs. Le rouge dans la circulation routière signifie par exemple 'stop'", explique Galinski. Et Spolenak d'ajouter : "Les dommages causés au matériau sont en fait microscopiques, mais notre système de couches renforce les effets et c'est ainsi qu'ils deviennent finalement visibles à l'?il nu gr?ce au changement de couleur". Le système sur les fibres textiles se compose de plusieurs couches. Toutefois, seule la couche extérieure, d'une épaisseur de 20 nanomètres seulement, réagit à la température. Elle se cristallise et la couleur change.
Peu de matière, beaucoup de lumière
"Mais nous nous intéressons aussi aux interactions lumineuses à grande échelle, basées sur des couches minces", raconte Ralph Spolenak. Et ce pour une bonne raison : si beaucoup de lumière peut être captée dans peu de matériau jusqu'à ce qu'elle soit complètement absorbée, cela a un énorme potentiel dans le domaine des cellules solaires et d'autres matériaux énergétiques. "Si ce type de concentration de lumière, qui peut également être utilisé pour créer des couleurs, ne nécessite qu'un faible volume de matériau, c'est très efficace", ajoute le physicien Galinski.
Récemment, le groupe de Spolenak a développé un principe permettant de capter efficacement la lumière gr?ce à des réseaux nanoscopiques. Ces réseaux sont constitués d'un alliage spécial et permettent d'absorber jusqu'à 99% de la lumière, en grande partie indépendamment de l'angle d'incidence de la lumière.
Il y a quelques années déjà, le groupe a développé avec succès, en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, un principe permettant de produire des revêtements métalliques de différentes couleurs. Le matériau de revêtement est constitué d'une structure fine spéciale composée de deux couches différentes. La couche inférieure est constituée d'un réseau de métaux parsemé de minuscules pores. La partie supérieure est constituée d'une fine couche d'oxyde. La couleur résulte principalement de l'interaction de la lumière avec la couche limite désordonnée des deux matériaux. L'épaisseur de cette couche détermine la couleur : 12 nanomètres rendent par exemple le matériau verd?tre, 24 nanomètres jaune et 48 nanomètres bleu.
Claudiadele Polinari, de l'école de maturité gymnasiale R?mibühl, a elle aussi fabriqué des couleurs structurelles dans le cadre de son travail de maturité. Elle voulait reproduire une palette de couleurs aussi large que possible et non pas seulement quelques couleurs isolées. Avec son principe de deux couches, la jeune chercheuse a toutefois atteint ses limites avec les tons verts. Malgré cela - ou peut-être justement gr?ce à cela - elle a beaucoup appris pendant son court séjour de recherche à l'ETH. Et les nombreux échantillons de couleur réussis sont désormais encadrés et accrochés au mur au-dessus de la table de réunion. C'est beau quand les résultats de recherche sont aussi visibles.
Vers les personnes
Ralph Spolenak est professeur de nanométallurgie au Département de science et ingénierie des matériaux de l'ETH Zurich.
Henning Galinski travaille en tant que Senior Scientist dans le groupe de recherche de Ralph Spolenak.
Référence bibliographique
Galinski H et al. Optical properties and structural coloration of chocolate. Appl. Phys. Lett. novembre 02 2020. DOI : page externehttps://doi.org/10.1063/5.0028535
Schnabel V et al. Structural Color Sensors with Thermal Memory : Measuring Functional Properties of Ti-Based Nitrides by Eye. Matériaux optiques avancés. July 26 2018. DOI : page externehttps://doi.org/10.1002/adom.201800656
Galinski H et al. Functional Coatings on High-Performance Polymer Fibers for Smart Sensing. Advanced Functional Materials (Matériaux fonctionnels avancés). February 16 2020. DOI : page externehttps://doi.org/10.1002/adfm.201910555
Wohlwend J et al. Chemical Engineering of Cu-Sn Disordered Network Metamaterials. Nano Letters. Novembre 5 2021. DOI : page externehttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03545
Galinski H et al. Scalable, ultra-resistant structural colors based on network metamaterials. Light Sci Appl. Septembre 27 2016. DOI : page externehttps://doi.org/10.1038/lsa.2016.233