Couleur structurelle

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La brillance et l'iridescence de la queue du paon sont dues à des structures physiques.

Une couleur structurelle est une couleur produite par des interférences sur des structures d'une dimension proche de la longueur d'onde de la lumière visible, par opposition aux couleurs ordinaires, que les matières colorantes produisent à l'échelle atomique par absorption d'une partie du rayonnement électromagnétique[1] ; on oppose ainsi couleur physique et couleur chimique.

Les couleurs structurelles, bien que moins fréquentes que les couleurs pigmentaires, sont abondantes dans la nature ; les couleurs de l'arc-en-ciel sont structurelles. Plusieurs espèces animales en produisent, des plumes du paon ou du canard colvert à l'iris des yeux à couleur claire.

Principe[modifier | modifier le code]

Lorsque la structure d'un corps comporte des alternances régulières de parties qui réfléchissent ou transmettent la lumières, et d'autres qui l'absorbent, avec une fréquence spatiale du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière (1 à 10 µm), elle forme un réseau de diffraction capable de décomposer la lumière en composantes monochromatiques, de couleur variant selon la direction.

Les couches semi-réfléchissantes de la même dimension donnent lieu au même phénomène. Lorsque ces couches comportent des reliefs microscopiques, elles peuvent constituer des miroirs réfléchissant une longueur d'onde privilégiée.

Les couleurs structurelles dans le domaine végétal et animal, assez fréquentes quoique beaucoup plus rares que les couleurs pigmentaires, peuvent provenir d'un agencement plus complexe de ces structures élémentaires, réduisant leur aspect iridescent. Les cellules chromatophores qui donnent leur couleur à la peau des animaux par un effet de structures s'appellent schemochromes.

Couleurs physiques et couleurs chimiques[modifier | modifier le code]

La couleur du ciel et celles de l'arc-en-ciel proviennent de la diffusion des ondes et de leur réfraction, respectivement, dans l'atmosphère terrestre. La structure des matériaux à une échelle proche des longueurs d'ondes de la lumière visible n'est pas en cause, ni l'absorption par une substance colorante. La notion de couleur physique s'applique à ces cas particuliers en plus de celui des couleurs structurelles, tandis que la couleur chimique se réfère à l'art de la teinture, d'où est sortie au XIXe siècle, l'industrie chimique.

L'opposition entre couleurs physiques et couleurs chimiques renvoie aux polémiques après que l'Opticks d'Isaac Newton, basée sur les rayons lumineux colorés, est venue contredire les notions des praticiens des matières colorantes, peintres et teinturiers. La composition des couleurs par mélange de colorants ne produit pas les effets qu'on attendrait selon le mélange de radiations lumineuses. Goethe s'appuiera sur sa perception des couleurs et celles de ces professionnels pour s'opposer aux physiciens dans son Traité des couleurs. Dans ce débat acerbe, les couleurs physiques sont les rayonnements qui se comportent comme l'indique Newton, les couleurs chimiques, les matières qui se combinent comme le veulent les coloristes[2].

Historique[modifier | modifier le code]

Le savant anglais Robert Hooke a le premier étudié la couleur des plumes de paon. Examinant un échantillon au microscope, il note la division des parties des plumes en petits éléments, la variation de couleur selon la direction de l'observation, et sa disparition lorsqu'on trempe la plume dans l'eau. Isaac Newton relie ces observations avec la diffraction dans son Opticks.

Un siècle plus tard Thomas Young attribua l'irisation au brouillage entre les reflets de deux (ou plus) pellicules fines, en plus de la réfraction de la lumière lors de sa traversée de ces pellicules. La géométrie détermine que, à certains angles, les rayons réfléchis des deux surfaces s'ajoutent (s'interfèrent constructivement), alors qu'à d'autres angles, les rayons s'annulent. Ainsi différentes couleurs se manifestent à différents angles[3].

Exemples[modifier | modifier le code]

Selaginella willdenowii (en) a un feuillage qui prend des iridescences bleu électrique.

Dans le domaine végétal, la couleur blanche du Nénuphar est liée à des réflexions multiples de la lumière par les petites poches d'air formées à l'intérieur des pétales par les méats aérifères. La couleur bleue structurelle est créée par réflexion de Bragg à partir de microfibrilles de cellulose empilées en spirale dans les parois cellulaires (exemples : feuilles de Sélaginelles, baies marbrées de Pollia condensata qui produisent la couleur bleue la plus brillante de tous les tissus vivants). Elle est aussi créée à partir de l'empilement des membranes thylacoïdes des chloroplastes dans les feuilles (exemples : Phyllagathis (es), Bégonia). L'irisation des pétales de certains Hibiscus provient des nanostructures de surface qui font l'effet d'une grille de diffraction optique sur la lumière[4].

Dans le domaine animal, comme dans l'iris, sur les plumes d'oiseaux et les ailes de papillons, la lumière est brouillée par une gamme de jeux de lumière (mécanismes photoniques), y compris des réseaux de diffraction[5], des miroirs sélectifs, des cristaux photoniques, des fibres à cristal, des matrices de nanocanaux et des protéines de configuration variable. Une grande partie de ces traits menus correspond à des structures élaborées visibles au microscope électronique. Ainsi, les plumes de la queue du paon sont colorées par des pigments en brun, mais leur structure menue les rend bleues, turquoise et vertes, souvent avec un air irisé.

Applications[modifier | modifier le code]

La photographie interférentielle produit des images en couleurs sans colorant.

Les couleurs structurelles ont de l'avenir dans des applications industrielles, commerciales et militaires, avec des surfaces biomimétiques (à la nature) qui pourraient offrir des couleurs brillantes, le camouflage adaptable, des commutateurs optiques efficaces et du verre à bas reflet.

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Pigmentation animale », sur universalis.fr.
  2. Johann Wolfgang von Goethe et Ernest Faivre (commentateur), Oeuvres scientifiques de Goethe, Paris, (lire en ligne), p. 201.
  3. http://papillon.vulcain.pagesperso-orange.fr/lacoloration.htm
  4. (en) Yoseph Bar-Cohen, Biomimetics. Nature-Based Innovation, CRC Press, (lire en ligne), p. 319-325
  5. http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/couleur_1396/c3/221/p11/