De quelles couleurs sont les nanoparticules ?

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 et qui interagit avec la lumière, à la manière d'une corde de piano qui fait vibrer l'air et engendre un son. Une équipe du Laboratoire de physique des solides (CNRS/Université Paris-Sud 11) s'est servie de ce phénomène pour cartographier les couleurs de nanoparticules d'argent 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.


Une bague en or est jaune, 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 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: lorsque des particules métalliques ont des dimensions inférieures à la longueur d'onde de la lumière visible (de 400 à 800 nanomètres environ du rouge au bleu), leur couleur dépend de leur taille et de leur forme.

On peut faire l'analogie avec une corde à piano. Pour une tension donnée, 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 de la lumière est rapide, donc plus la longueur d'onde 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.

C'est du moins ce que prévoit la théorie, 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 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, 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 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 par fibre optique. Notamment, de nombreuses applications reposent sur l'excitation optique 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, 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 qu'on peut les utiliser pour contrôler les couleurs de nanoparticules.