Conserver la structure de l'or et de l'argent lors d'alliages
En optique, l’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium sont utilisés, car ils réfléchissent certaines couleurs. L’or reflète les teintes de rouge et l’argent les teintes de bleu. Les scientifiques s’intéressent à ces métaux en infime quantité, de l’ordre de nanomètre. En effet, les nanostructures possèdent une réponse optique complètement différente de celle des matériaux en vrac. À petite échelle, cela signifie que la lumière interagit avec eux autrement que s’ils se trouvaient en grande concentration, comme un lingot d’or par exemple. Les chercheurs du laboratoire de nanophotonique et métrologie de la faculté des sciences et techniques de l’ingénieur se sont lancé un défi : obtenir toutes les teintes de couleurs avec un seul et même matériau.
Obtenir les effets optiques des deux métaux
« Nous nous sommes dit que si nous mélangions de l’or et de l’argent, nous obtiendrions les effets optiques des deux métaux dans un seul matériau », déclare Olivier Martin, professeur et directeur du laboratoire. Normalement, l’alliage de l’or et de l’argent est réalisé à haute température, entre huit cents et mille degrés, mais ce processus ne permet pas de conserver la forme des nanostructures. « Avec les techniques d’alliage actuelles, les nanostructures des deux matériaux ne sont pas maintenues », explique le professeur. Les chercheurs ont donc voulu trouver une procédure d’alliage à basse température qui offre n’importe quelle composition d’alliage.
Cette image de microscopie électronique des nanostructures met en évidence, par des couleurs différentes, des nanostructures avec des proportions d’or (Au) et d’argent (Ag) différentes. © 2022 EPFL
Un alliage à 300 degrés
En laboratoire, l’équipe d’Olivier Martin a d’abord réussi à démontrer qu’il est possible de mélanger l’or et l’argent à basse température. Les chercheurs ont chauffé les deux métaux à 300 degrés pendant 8 heures puis à 450 degrés pendant 30 minutes. Grâce à ce processus, les deux matériaux s’incorporent, car leur épaisseur s’avère très mince. « Nous utilisons des couches à l’échelle nanométrique. C’est extrêmement fin », précise Jeonghyeon Kim, doctorante travaillant sur le projet. Les scientifiques ont ensuite découvert qu’en recourant à cette technique, les deux métaux conservent leurs structures et que le nouveau matériau réfléchit l’ensemble du spectre des couleurs suivant sa composition. « Un processus de cuisson à basse température peut maintenir la forme des particules, tout en produisant des matériaux bien alliés. C’est comme si nous avons additionné les effets de l’or et de l’argent. L’alliage que nous avons créé offre de nouvelles couleurs ».
Les chercheurs ont également joué avec les pourcentages de composition de l’alliage. « Quand on met plus d’or, que d’argent, ou inversement, les effets optiques vont être différents », indique Olivier Martin. Cette technique s’avère utile pour la fabrication de nouveaux dispositifs optiques, mais aussi pour des usages plus courants. « Certains horlogers pourraient être intéressés à intégrer notre découverte dans les aiguilles de montre par exemple », conclut le professeur.
