La vision des couleurs

«Se demander pourquoi le chocolat est brun, c'est comme se demander pourquoi le ciel est bleu», explique Ralph Spolenak, professeur de nanométallurgie au département des matériaux de l'ETH Zurich. Dans les deux cas, les particules diffusent la lumière de telle sorte que seule une partie de celle-ci atteint nos yeux: les particules de poudre de cacao font apparaître le chocolat en brun, tandis que les molécules d'air font apparaître le ciel en bleu. Les particules sont également responsables de l'intensité d'une couleur: plus la teneur en cacao est élevée, plus les particules de cacao influencent la diffusion de la lumière, et plus le chocolat paraît foncé.

Henning Galinski, physicien dans le groupe de recherche de Ralph Spolenak, s'est penché sur la science du chocolat. «Nous nous sommes concentré·es sur les propriétés optiques du chocolat et nous voulions savoir si nous pouvions changer la couleur du chocolat sans ajouter d'ingrédients supplémentaires», explique-t-il. Pour répondre à cette question, Henning Galinski a travaillé en étroite collaboration avec les groupes de recherche de l'ETH Zurich en matière de matériaux complexes et de génie des procédés alimentaires, ainsi qu'avec la Haute école spécialisée du Nord-Ouest de la Suisse (FHNW).

L'équipe a commencé par étudier les effets de la lumière diffusée et réfléchie. Contrairement à la diffusion, la réflexion se produit lorsqu'un rayon de lumière est renvoyé à un angle fixe après avoir frappé une surface telle qu'une pièce de métal ou un miroir. «Nous avons imprimé un motif spécifique à la surface du chocolat pour créer un réseau de diffraction qui dévie la lumière réfléchie», explique Henning Galinski. Le motif nanostructuré divise la lumière incidente en ses composantes spectrales, faisant scintiller le chocolat dans de magnifiques teintes arc-en-ciel sans aucun revêtement ni modification chimique.

Visible à l'œil nu

«La beauté est dans l'œil de celui qui regarde, mais je trouve que le chocolat irisé est superbe», déclare Ralph Spolenak. Mais les couleurs ne sont pas seulement agréables à regarder. Elles peuvent également être utilisées pour faire des observations objectives. «Nous nous sommes demandé si nous pouvions utiliser les couleurs pour évaluer les propriétés d'un matériau», explique Henning Galinski. Par exemple, pourraient-elles servir à indiquer comment la dureté d'un alliage change lorsqu'il est chaud?

Henning Galinski donne l'exemple d'une éolienne. Si l'éolienne surchauffe, cela pourrait endommager le matériau et le rendre instable. Mais l'utilisation d'hélicoptères pour surveiller les turbines dans les parcs éoliens offshore est une activité coûteuse et longue. «Nous avons mis au point un système permettant de surveiller en permanence les modifications des propriétés d'un matériau à l'aide d'une simple mesure optique», explique Henning Galinski. «Nous avons pu utiliser les changements de couleur pour indiquer directement les modifications de la dureté d'un matériau ou de sa résistance électrique.»

Henning Galinski cite un autre exemple. Dans un projet commun avec l'Empa, les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont appliqué le même concept de capteur aux textiles. «Nous avons doté les fibres textiles d'un revêtement thermochrome qui change de couleur lorsque le matériau est endommagé par la chaleur», explique-t-il. Ce type d'avertissement visuel pourrait faire la différence entre la vie et la mort pour les personnes qui sont régulièrement exposées à des situations dangereuses, comme les pompiers. Lorsque des matériaux tels que des cordes ou des vêtements surchauffent sous l'effet du feu ou de la friction, leur fonction s'en trouve altérée. Le changement de couleur avertit les utilisatrices et utilisateurs que l'article est endommagé et ne doit plus être utilisé.

Ces exemples montrent comment la couleur peut être exploitée comme un système de capteurs pour contrôler la fonctionnalité. «Après tout, nous, les êtres humains, utilisons constamment la couleur pour évaluer notre environnement. Lorsque nous voyons un feu rouge, par exemple, nous savons qu'il signifie "stop"», explique Henning Galinski. Les chercheuses et chercheurs s'appuient sur le même principe, comme l'explique Ralph Spolenak: «En réalité, les dommages subis par le matériau sont microscopiques, mais notre système de revêtement de couleur amplifie les effets, les rendant visibles à l'œil nu.» Le système utilisé sur les fibres textiles consiste en de multiples revêtements. Toutefois, seule la couche supérieure - d'une épaisseur de 20 nanomètres seulement - réagit à la température en se cristallisant et en changeant de couleur.

Moins de matériaux, plus de lumière

«Nous nous intéressons également à la manière dont la lumière interagit avec des surfaces plus grandes, notamment en ce qui concerne les revêtements minces», explique Ralph Spolenak. Les développements dans ce domaine pourraient changer la donne: si les scientifiques parvenaient à capturer une grande quantité de lumière dans une petite quantité de matériau jusqu'à ce que la lumière soit complètement absorbée, cela pourrait avoir d'énormes avantages pour les cellules solaires et d'autres matériaux utilisés dans l'industrie énergétique. «Si nous pouvons prendre la même méthode de concentration de la lumière que celle que nous utilisons pour créer la couleur et la faire fonctionner dans un petit volume de matériau, alors l'efficacité sera très élevée», déclare Henning Galinski.

Récemment, le groupe de Ralph Spolenak a mis au point un principe permettant d'utiliser des réseaux nanométriques pour capter efficacement la lumière. Ces réseaux, qui sont constitués d'un alliage spécial, permettent d'absorber jusqu'à 99% de la lumière, et ce pour pratiquement n'importe quel angle d'incidence.

Il y a quelques années, le groupe a collaboré avec une équipe internationale de recherche. Ensemble, ils ont réussi à mettre au point un principe permettant de produire des revêtements métalliques de différentes couleurs. Le revêtement consiste en une microstructure spéciale composée de deux couches différentes. La couche inférieure comprend un réseau de métaux traversé par de minuscules pores, tandis que la partie supérieure du revêtement est une fine couche d'oxyde. La couleur est produite principalement par l'interaction de la lumière avec l'interface désordonnée entre les deux matériaux. L'épaisseur de cette région d'interface détermine la couleur; par exemple, 12 nanomètres donnent au matériau un ton vert, 24 nanomètres le rendent jaune, et 48 nanomètres le rendent bleu.

Claudiadele Polinari, du lycée de Rämibühl, a également produit des couleurs structurelles dans le cadre de son travail de baccalauréat. Plutôt que de créer quelques couleurs individuelles, elle a cherché à obtenir la palette la plus large possible. Les tons verts ont poussé le principe de la double couche de la jeune chercheuse à ses limites. Néanmoins - ou peut-être par conséquent - elle a beaucoup appris pendant son court séjour de recherche à l'ETH Zurich. Certains de ses nombreux spécimens de couleur réussis ont été encadrés et sont maintenant accrochés au mur au-dessus de la table de réunion - un exemple frappant de la façon dont les résultats de la recherche peuvent constituer un véritable plaisir visuel!