De nouveaux matériaux photochromes pour nous en faire voir de toutes les couleurs

Publié par Adrien le 18/06/2022 à 09:00
Source: CNRS INC
Les matériaux photochromes, couramment utilisés pour la fabrication des verres de lunettes, peuvent également conduire à d'autres applications comme le stockage de l'information, les capteurs UV ou les revêtements intelligents.

Des scientifiques du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), finnois (Département de chimie et Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) photochromes aux propriétés contrôlées. Ces travaux sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) présentant la cage-β et le polyèdre (Un polyèdre est une forme géométrique à trois dimensions ayant des faces planes...) de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...) pour la forme incolore (à gauche) et avec un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), certains matériaux appelés photochromes changent de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...). Utilisés couramment pour la fabrication des verres de lunette, ils s'obscurcissent lorsque la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) est importante et perdent progressivement leur couleur en l'absence de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...). Certains aluminosilicates naturels (hackmanite, tugtupite et scapolite), connus depuis le début du 20ième siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), 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 (La vie est le nom donné :) conditionnerait l'existence du photochromisme observé.

En combinant des calculs de chimie quantique (La chimie quantique est l'application de la mécanique quantique aux problèmes de la chimie.) 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 (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de sodium stabilisent cet électron et donnent ainsi un état ayant une durée de vie suffisante pour que le phénomène soit observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire...).

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 ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) tandis que la hackmanite et la tugtupite peuvent garder leur couleur plusieurs minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...) voire plusieurs heures (L'heure est une unité de mesure  :). 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 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 (Natural est un langage de programmation semi-compilé, édité par la société...) minerals
PNAS 2022
DOI: 10.1073/pnas.2202487119
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