De quelles couleurs sont les nanoparticules ?
Publié par Michel le 21/04/2007 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © J. Nelayah- CNRS 2007
Que se passe-t-il dans le petit monde des nanosciences où les dimensions caractéristiques sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière visible ? Pour les métaux, la clé des couleurs est alors le "plasmon", qui fait vibrer les électrons de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) et qui interagit avec la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...), à la manière d'une corde de piano qui fait vibrer l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) et engendre un son. Une équipe du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) des solides (CNRS/Université Paris-Sud 11) s'est servie de ce phénomène pour cartographier les couleurs de nanoparticules d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) avec une résolution encore jamais atteinte. Avec ce bond en avant dans l'infiniment petit des couleurs (de 100 nanomètres, on passe à quelques nanomètres seulement de résolution), on pourra caractériser les nombreux systèmes utilisés en "nano-plasmonique", la branche émergente de l'opto-électronique qui utilise les plasmons (1) de surface pour transmettre une information à distance.


Couleurs absorbées par une nanoparticule d'argent triangulaire, schématisée par le trait noir

Une bague en or est jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :), une fourchette en argent est grise et les vitraux des églises, qui contiennent aussi de l'or et de l'argent, sont multicolores. Pourquoi cette différence ? Parce que le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...) se présente sous la forme d'un film continu dans le premier cas et de nanoparticules dans le second. Cet effet, connu empiriquement depuis l'Antiquité, est expliqué depuis un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...): lorsque des particules métalliques ont des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) inférieures à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil...) (de 400 à 800 nanomètres environ du rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) au bleu), leur couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) dépend de leur taille et de leur forme.

On peut faire l'analogie avec une corde à piano. Pour une tension (La tension est une force d'extension.) donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.), la note produite en faisant vibrer la corde dépend de sa longueur: plus la corde est courte, plus elle vibre vite et plus le son est aigu. Pour une nanoparticule, la couleur produite en faisant "vibrer" ses électrons avec la lumière (ces vibrations sont appelées plasmons de surface) dépend de sa taille: plus la nanoparticule est petite, plus la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...) de la lumière est rapide, donc plus la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une...) est grande et plus la particule absorbe dans le rouge, c'est-à-dire plus elle paraît bleue. La forme des nanoparticules est également déterminante. Selon cette forme, les nanoparticules possèdent plusieurs vibrations caractéristiques qui produisent chacune une couleur différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie...).

C'est du moins ce que prévoit la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...), mais peut-on observer ces effet en "regardant" à la surface des nanoparticules ? Plus précisément, peut on attribuer une couleur spécifique à différentes parties de la nanoparticule ? Pour le savoir, les chercheurs du Laboratoire de physique des solides ont travaillé sur des nanoparticules d'argent triangulaires. La technique utilisée est la spectroscopie de pertes d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) électronique dans un microscope électronique à balayage en transmission. L'astuce consiste à utiliser des électrons qui vont se comporter comme une source de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...), constituants élémentaires de la lumière, pour atteindre des résolutions jusque là inégalées. Les électrons cèdent de l'énergie à la nanoparticule: on mesure la perte d'énergie des électrons pour chaque longueur d'onde et en faisant la somme de tous les spectres, on obtient la "couleur" absorbée. La couleur "émise" est la couleur complémentaire.

Grâce à cette technique, les chercheurs ont mesuré la couleur de ces nanoparticules avec une résolution de quelques nanomètres seulement. C'est 100 fois mieux que ce que les autres techniques permettaient. En outre, ils ont montré que les couleurs sont différentes suivant l'endroit de la nanoparticule considéré (voir la figure).

Comprendre comment la lumière interagit avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) à l'échelle du nanomètre est fondamental en opto-électronique, discipline qui étudie les composants électroniques interagissant avec la lumière et qui est à la base des télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel «communication...) par fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit...). Notamment, de nombreuses applications reposent sur l'excitation optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de la surface de nanoparticules ou "nano-plasmonique", pour transmettre des informations. Le travail des chercheurs ouvre une voie nouvelle pour la caractérisation des structures utilisées dans ce domaine émergeant.

La France, l'Espagne et la Belgique ont participé au financement de ces travaux, ainsi que l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...), au travers du programme Single particule nanophotonic switches (SPANS).

(1) Un plasmon est l'oscillation collective des électrons de conduction dans un métal. Les plasmons de surface sont confinés à la surface comme leur nom l'indique. Ce sont des ondes stationnaires, qui interagissent avec la lumière. C'est dans ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...) qu'on peut les utiliser pour contrôler les couleurs de nanoparticules.

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