Lundi 16 mai 2011

Lumière et couleurs

Jacques Livage
Céline Rosticher
Thomas Fontecave
Guillaume Muller

Collège de France

Depuis la préhistoire jusqu'à nos jours la maîtrise de la couleur a été un soucis constant de nos civilisations. Il y a 30 000 ans déjà, l'homme se préoccupait du choix des pigments pour orner ses grottes de peintures rupestres.
La découverte de la mauvéine par Perkin au 19^ème siècle a été à l'origine des colorants synthétiques et du développement de l'industrie chimique.
Aujourd'hui, à l’ère de l'audiovisuel, l'image couleur remplace l'écriture et la recherche de nouveaux luminophores révolutionne le domaine des écrans de visualisation.

Quoi de plus évident que la couleur ? Nous n’envisageons même pas un monde sans couleur. La couleur, comme la musique, est devenu un langage universel. Elle concerne aussi bien l'artiste que le scientifique ou le technicien.

La couleur est en fait une sensation physiologique qui transforme la lumière reçue par l'oeil en un influx nerveux transmis au cerveau. La lumière blanche est aussi, comme l'a montré Newton, un ensemble d’ondes électromagnétiques monochromatiques, dont la superposition nous apparaît comme blanche. C'est la conjonction de ces deux processus, biologique et physique qui fera qu'un objet nous apparaîtra comme rouge ou vert. Mais, comment "fabriquer" la couleur ?

La couleur naît de la lumière et c’est au moment où elle pénètre dans la matière que la lumière se transforme en couleur. Deux types de phénomènes se produisent alors selon la nature de l’interaction ‘rayonnement-matière’.

Les couleurs physiques sont dues à une modification du chemin optique suivi par la lumière. C’est la diffusion qui conduit au bleu du ciel, au rouge rubis des vitraux, à l’opalescence des opales ou à l’iridescence des ailes de papillon.

Les colorants chimiques modifient la composition de la lumière blanche en absorbant certaines longueurs d’onde. Ils absorbent l’énergie transportée par certaines ‘couleurs’ et l’utilisent pour modifier le mouvement des électrons au sein de la matière.

Ces mouvements peuvent correspondre à un simple changement d’orbite de l’électron autour du noyau. C’est le cas des ions d’éléments de transition (fer, cuivre, nickel, cobalt, …). Ces pigments dits ‘ioniques’ sont couramment utilisés dans l’industrie des verres et des céramiques.

Les mouvements peuvent aussi être de plus grande amplitude et correspondre à la délocalisation de l’électron sur l’ensemble de la molécule. Ce sont les colorants organiques qui ont joué un rôle fondamental dans toute l'industrie des teintures. Ils peuvent être naturels, d'origine végétale comme le pastel et la garance ou animale comme le pourpre de Tyr et le rouge cochenille. On en utilise maintenant plusieurs milliers, essentiellement synthétiques. La couleur de ces molécules est liée à la délocalisation des électrons ? le long de chaînes conjuguées ou de cycles aromatiques. La longueur d'onde associée à ces électrons augmente avec la longueur de la chaîne et une corrélation simple peut être établie entre la structure moléculaire et la couleur.

La matière ne se contente pas d’absorber la lumière pour donner des couleurs. Elle est aussi capable d’émettre de la lumière. C’est le phénomène de luminescence qui suit une réaction chimique (chimie luminescence), biologique (bioluminescence). Il se produit aussi lorsqu’un matériau luminophore est excité par un processus physique (tube cathodique, plasma, diode, électroluminescente, ….). Ce domaine, aujourd’hui en plein essor, conduit à une course aux écrans plats qui révolutionne notre vie quotidienne.