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Des scientifiques du Laboratoire de chimie (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), finnois (Département de chimie et Département de physique de l'université de Turku) et belges (société minéralogique d'Anvers) sont parvenus à élucider l'origine microscopique du photochromisme de minéraux naturels de la famille des aluminosilicates. Ces résultats devraient permettre d'optimiser la synthèse de nouveaux matériaux photochromes aux propriétés contrôlées. Ces travaux sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Vue d'artiste présentant la cage-β et le polyèdre de sodium pour la forme incolore (à gauche) et avec un électron piégé donnant un centre coloré (à droite) accompagnée de photos d'une scapolite avant et après l'exposition aux UV.
© Tangui Le Bahers
Sous l'action de la lumière, certains matériaux appelés photochromes changent de couleur. Utilisés couramment pour la fabrication des verres de lunette, ils s'obscurcissent lorsque la luminosité est importante et perdent progressivement leur couleur en l'absence de rayonnement. Certains aluminosilicates naturels (hackmanite, tugtupite et scapolite), connus depuis le début du 20ième siècle, présentent ce phénomène sans que l'on en connaisse exactement la raison. Pour expliquer ce changement de couleur qui dépend de la nature du minéral, on invoque l'existence d'électrons piégés dans la structure par la lumière - aussi appelés "centres colorés" -, dont la durée de vie conditionnerait l'existence du photochromisme observé.
En combinant des calculs de chimie quantique à des analyses physico-chimiques spécifiquement conçues pour ces minéraux, des scientifiques du Laboratoire de Chimie (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) avec leurs collègues finnois et belges montrent pour la première fois que la stabilité des centres colorés est liée à leur structure cristallographique. Cette structure peut être comparée à des poupées russes: une cage aluminosilicate (appelée cage-β) contient un polyèdre de sodium qui contient lui-même un ion chlorure en son centre. Sous l'action de la lumière, un électron vient occuper une lacune laissée par un ion chlorure conduisant à la formation du centre coloré. En se réarrangeant suite à la présence de l'électron piégé, les atomes de sodium stabilisent cet électron et donnent ainsi un état ayant une durée de vie suffisante pour que le phénomène soit observable.
Parmi les trois minéraux étudiés, la scapolite est celui dont la stabilité du centre coloré est la plus courte avec une couleur qui disparaît au bout de quelques dizaines de seconde tandis que la hackmanite et la tugtupite peuvent garder leur couleur plusieurs minutes voire plusieurs heures. Les chercheurs sont parvenus à établir le lien qui existe entre la couleur, la durée de vie de ces états colorés et la structure de la cage-β qui les entoure.
Cette compréhension de l'origine microscopique de la stabilité de l'électron piégé va faciliter la conception de nouveaux matériaux photochromes en ajustant par exemple la longueur d'onde d'excitation et donc la couleur des minéraux.
Référence:
Pauline Colinet, Hannah Byron, Sami Vuori, Juha-Pekka Lehtiö, Pekka Laukkanen, Ludo Van Goethem, Mika Lastusaari, & Tangui Le Bahers.
The structural origin of the efficient photochromism in natural minerals
PNAS 2022
DOI: 10.1073/pnas.2202487119