Les couleurs secrètes des métaux : pourquoi la matière change-t-elle d’apparence ?

Un métal, plusieurs couleurs

Dans la conscience collective, l’or est jaune et l’argent est gris. Ces affirmations sont exactes au niveau macroscopique. Pourtant, à une autre échelle, l’or peut apparaître rouge rubis et l’argent prendre des teintes inattendues comme le vert ou le bleu. Ce changement de couleur est directement lié à la taille du métal.

Pour bien comprendre, il faut zoomer jusqu’à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire jusqu’à une échelle des millions de fois plus petite que celle d’un bijou. Le métal se présente alors sous forme de minuscules structures appelées nanoparticules. À cette dimension, les électrons de surface ne réagissent plus à la lumière de la même manière qu’à notre échelle.

Quand les électrons entrent en mouvement

À l’échelle nanométrique, le nuage d’électrons à la surface d’une nanoparticule peut être imaginé comme un océan, dans lequel les électrons se déplacent presque librement. Lorsqu’une onde lumineuse frappe cette surface, son champ électromagnétique pousse l’ensemble de ce nuage d’électrons d’un côté, puis de l’autre. Les électrons se mettent alors à osciller au même rythme, comme une vague qui va et vient à la surface de la particule.

Perception des couleurs

Les électrons n’oscillent cependant pas à n’importe quelle fréquence, ils possèdent une fréquence propre. Lorsque celle de la lumière incidente lui correspond, l’énergie lumineuse se concentre fortement à l’interface entre le métal et son environnement : c’est la résonance plasmonique de surface. Cette excitation modifie la manière dont la nanoparticule absorbe et diffuse la lumière.

Or, en absorbant certaines longueurs d’onde et en en diffusant d’autres, la nanoparticule présente une couleur particulière. Ce phénomène donne naissance à des propriétés optiques remarquables, comme des variations de couleur qui deviennent dépendantes de la nature du métal, mais aussi de la taille, de la forme des nanoparticules et de la distance qui les sépare.

Ainsi, une nanoparticule d’or d’une vingtaine de nanomètres absorbe fortement la lumière verte et renvoie principalement le rouge : elle confère alors à la solution une couleur rouge rubis intense, alors que le même métal, à l’échelle d’un lingot, présente son classique éclat jaune. Si ces particules grossissent légèrement ou se rapprochent les unes des autres, la résonance plasmonique est modifiée et la solution vire au bleu. Il ne s’agit pourtant toujours que d’or.

Et demain ?
La couleur au service de l’intelligence

À l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M), au sein de l’unité I2M (Interfaces et Matériaux Multidimensionnels), Pr. Karine Mougin, enseignante à l’Université de Haute-Alsace et chercheuse à l’IS2M, étudie la manière dont les nanoparticules métalliques interagissent avec la lumière afin de contrôler leurs propriétés optiques, notamment les couleurs qu’elles produisent. Ses recherches ont montré que la taille, la forme ou l’organisation de ces nanoparticules influencent directement leur comportement optique. En contrôlant ces différents paramètres lors de leur élaboration, il devient alors possible d’ajuster la réponse des matériaux et de concevoir des systèmes capables d’évoluer avec leur environnement.

En s’appuyant sur ces propriétés, son équipe développe des matériaux hybrides intelligents associant polymères et nanoparticules métalliques, capables de changer de couleur en réponse à des stimuli environnementaux (température, humidité, présence de molécules…). La couleur n’est alors plus seulement présente pour son côté esthétique : elle devient un indicateur permettant de révéler une information sur l’état du matériau.

Vers des capteurs optiques nouvelle génération

L’étude des propriétés plasmoniques des nanoparticules ouvre également la voie à l’élaboration de capteurs optiques innovants, capables de détecter des traces infimes de molécules. Ces dispositifs trouvent des applications dans des domaines variés comme le contrôle visuel de l’environnement, la sécurité alimentaire ou encore le diagnostic médical.

Ces recherches s’inscrivent également dans une démarche visant à concevoir des matériaux performants répondant aux enjeux actuels de durabilité.

Pr. Karine Mougin

Enseignante à l’Université de Haute Alsace et chercheuse à l’IS2M, elle explore les propriétés des nanoparticules pour créer des matériaux intelligents.

Applications : l’or dévoile ses mystères

Aujourd’hui, les nanoparticules d’or sont présentes dans des applications du quotidien, comme les tests de grossesse ou les tests de dépistage du Covid-19. Leur étude continue d’ouvrir de nouvelles perspectives en recherche et de favoriser le développement d’applications innovantes dans de nombreux domaines.

Sources

1. Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L. & Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles : The influence of size, shape, and dielectric environment. J. Phys. Chem. B 107, 668–677 (2003). DOI : 10.1021/jp026731y
2. Techniques de l’Ingénieur. Nanoparticules d’or – Propriétés fondamentales. Disponible à l’adresse : techniques-ingenieur.fr (ressources documentaires, sciences fondamentales, nanosciences et nanotechnologies, réf. nm900).
3. Willets, K. A. & Van Duyne, R. P. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing. Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 267–297 (2007). DOI : 10.1146/annurev.physchem.58.032806.104607
4. Anker, J. N. et al. Biosensing with plasmonic nanosensors. Nat. Mater. 7, 442–453 (2008). DOI : 10.1038/nmat2162
5. Koczula, K. M. & Gallotta, A. Lateral flow assays. Essays Biochem. 60, 111–120 (2016). DOI : 10.1042/EBC20150012
6. Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M). I2M – Interfaces et Matériaux Multidimensionnels, Thème 9. Université de Haute-Alsace. Disponible à l’adresse : is2m.uha.fr (nos axes thématiques, I2M, thème 9).