Article Géologie.
titre:Des effets de couleur dans les nanominèraux ...aux cristaux photoniques et boites quantiques
auteur:Amédée DJEMAI, Musée de Minéralogie, Mines PariTech
date:25-11-2010 


Des effets de couleur dans les nanominéraux …aux cristaux photoniques et boîtes quantiques
Amédée DJEMAI, Musée de Minéralogie, Mines ParisTech


Résumé de la conférence donnée par Amédée DJEMAI pour le CIS (voir dans nos "liens") à l'ENST rue Barrault à Paris.

Des travaux très récents en nanominéralogie - champ de connaissances émergent - ont permis de mettre en évidence divers types de nanominéraux et de nanoparticules minérales, très réactifs à la lumière.
Par ailleurs, il existe aussi des minéraux transparents, des silicates, des oxydes, des sulfures ainsi que des nacres (type de nano-composite aragonite-conchiolite) qui présentent des colorations interférentielles. On retrouve ces mêmes effets dans les opales.
Quel rapport avec les nanomatériaux ?
Ces effets résultent de l’interaction de la lumière avec des structures fines sous formes d’inclusions à morphologie diverse (lamelles, lentilles, fibres, tubes, cristallites, sphères,…) -de différente composition à indices de réfraction contrastés- ou les billes de silice des opales.
Ils sont dus à la combinaison de phénomènes physiques tels que l’interférence, la diffraction, la diffusion et la réflexion, à l’interface entre l’air et des nanostructures de matériaux minéraux naturels.
Au final, ces nano-objets renvoient des rayons lumineux de couleur différente suivant la direction considérée, donnant l’impression de changer de couleur en fonction de l’angle d’observation. Ces processus physiques dépendent peu de la composition chimique du minéral mais plutôt de sa structure, sa texture et de son organisation spatiale.

La diversité des minéraux, leurs particularités chimiques et structurales donnent l’occasion d'aborder la plupart des processus de coloration couramment rencontrés dans les phases minérales de taille physique et quantique en faisant appel aux formalismes suivants :
- Structure des bandes d’énergie pour les colorations liées à l’absorption sélective du spectre
- Diffraction, interférence et diffusion de la lumière pour les effets optiques

Ces mécanismes de coloration des matériaux minéraux constituent des sources d’inspiration « inépuisables » pour diverses applications :

* Peinture de carrosserie automobile métallisée à couleurs interférentielles : technique mise en œuvre dans certaines de ces peintures de voiture métallisées à couleur changeante : dépôt de couche de silice sur une couche de métal (elle-même déposée sur un substrat de mica).
* Peinture de carrosserie automobile à base d’or nanoparticulaire : nouvelle génération de peintures utilisant les propriétés colorantes de nanoparticules métalliques : dépôt de nanoparticules d’or sur une couche à base de paillettes d’Al (elle-même déposée sur un substrat de mica).
* Cristaux photoniques : par analogie à l’organisation des opales (matrice amorphe avec des domaines de sphères de silice (Æ-100-200 nm) ordonnés en 3D) les chercheurs et ingénieurs travaillent sur des systèmes « en volume », semblables aux opales.
Ces minéraux synthétiques sont constitués de billes d’échelle nanométrique, disposées périodiquement comme dans un cristal. La structure périodique qui les caractérise étant comparable à la longueur d’onde, on parle alors de cristaux photoniques.
En fonction des axes de symétrie de ce pseudo-cristal, certaines longueurs d’ondes sont favorisées, d’où les effets optiques qui donnent leur éclat à ce « nanomatériau». Les chercheurs ont utilisé ce principe en fabriquant des opales synthétiques, dont les billes de silice contiennent de l’erbium (Er).
Excité avec une lumière monochromatique, l’erbium ré-emet à une autre l, une lumière amplifiée par le cristal. En y introduisant un défaut, on pourrait la canaliser vers la sortie, de façon à obtenir des sources de lumière ponctuelles très puissantes, pour des applications dans les fibres optiques
* Boîtes quantiques : les nanocristaux de certains minéraux semi-conducteurs tels que le séléniure de cadmium (CdSe), le sulfure de cadmium (CdS) etc…, après absorption d’un photon, peuvent émettre de la lumière à des longueurs d’onde qui dépendent de la nature du semi-conducteur et de la taille du cristal. Plus la taille est petite, plus la longueur d’onde de la lumière émise est courte.

Ainsi, avec les nanocristaux de CdSe, la couleur de la lumière émise va du violet au rouge lorsque le diamètre du cristal varie de 2 à 7 nm. Outre les applications aux composants électroniques et optiques, l’utilisation de la couleur des nanocristaux comme traceurs fluorescents en biologie s’est considérablement développée.


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