Coléoptère à carapace iridescente

 

Coccinelle asiatique à un stade juvénile

 

Irisation de l'émail  d’une céramique

 

Holographie électronique : lignes de champs magnétiques

 

 

 

 

Faïence à lustre métallique

 

 



 

La notion de couleur paraît a priori évidente, même un enfant est capable de distinguer le jaune du bleu. Pourtant, le problème n'est pas simple et deux questions fondamentales se posent ; qu'est-ce que la couleur et comment la représenter ?

Pour Aristote, la couleur naît d'un mélange de blanc et de noir et pendant des siècles cette idée fausse sera la théorie officielle. Il fallut attendre le XVIIe siècle avec Isaac Newton pour  s'apercevoir que la lumière blanche était en fait formé de l'ensemble des rayonnements monochromatiques qui composent l'arc-en-ciel. Et encore cette observation qui nous paraît évidente, sera combattue pendant des décennies par des cerveaux aussi brillants que Goethe.

La représentation de la couleur pose aussi un problème délicat. Comment définir une couleur sachant que l'oeil humain est capable d'en discerner plusieurs milliers ! Heureusement, la découverte de la trichromie permet de rationaliser ce problème et de limiter considérablement le nombre de paramètres.

Utilisée depuis le début du XVIIIe siècle par des imprimeurs tels que Jacques-Christophe Leblond, la trichromie a reçu sa confirmation avec la mise en évidence, il y a une cinquantaine d'années, des 3 types de cônes qui tapissent la rétine. De nombreux systèmes de référence ont été établis, tels que le diagramme de chromaticité défini en 1931 par la Commission Internationale de l'Éclairage. Ils permettent de définir rigoureusement une couleur à l'aide de 3 paramètres comme la teinte, la saturation et la luminosité.

Couleurs physiques et couleurs chimiques
      
La sensation de couleur fait en fait intervenir 3 partenaires; la lumière, l'objet coloré et l'oeil de l'observateur. Elle est liée à la modification de la lumière blanche, qui contient toutes les couleurs, lors de son interaction avec l'objet. Cette interaction rayonnement-matière se produit lorsque la lumière entre en contact avec l'objet, c'est-à-dire lors du choc "rayonnement-matière". Selon les cas, on peut distinguer deux types de collisions, élastiques et inélastiques.

  • Chocs élastiques et couleurs physiques  

Les chocs élastiques se produisent lorsqu'il n'y a pas d'échange d'énergie entre le rayonnement et la matière. Ils donnent naissance à ce que l'on appelle les "couleurs physiques" qui sont liées à la structure intime de la matière.
De tels chocs entraînent toujours une diminution de la vitesse de propagation de la lumière ce qui permet de définir l'indice optique comme le rapport de ces vitesses dans le vide et dans la matière. Une partie du rayonnement est aussi déviée de sa direction initiale. C'est la diffusion dont l'importance dépend des dimensions respectives de la lumière et de l'objet diffusant. Lorsque celui-ci est petit, la diffusion Rayleigh, est responsable de la couleur bleue du ciel. Par contre, lorsque la taille de l'objet augmente, on observe des phénomènes plus complexes (diffusion de Mie) qui peuvent conduire à l'opalescence puis à l'opacité complète. Des processus d'interférences se produisent lorsque l'on a une relation particulière entre la longueur d'onde du rayonnement et la périodicité du matériau. Ces interférences conduisent aux diagrammes de diffraction lorsque la lumière est monochromatique (diffraction de Bragg, nλ = 2dsinθ). Elles conduisent à des phénomènes d'iridescence avec de la lumière blanche. Ce processus conduit aux couleurs physiques que l'on trouve dans de nombreux systèmes naturels : opales, nacres, ailes de papillons, plumes d'oiseaux,...

  • Chocs inélastiques et couleurs chimiques  

Les chocs inélastiques entraînent un échange d'énergie entre le rayonnement et la matière. Ils sont responsables de la plupart des processus de coloration que nous connaissons et ne se produisent que lorsque l'on a une relation rigoureuse entre l'énergie que transporte le rayonnement et celle que la matière est capable d'échanger. Ce processus, lié à la nature quantique de la matière, met en jeu le mouvement des électrons au sein du matériau. Il conduit aux trois phénomènes élémentaires :  l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée.
• L'absorption est responsable de la couleur conférée par les pigments et les teintures.
• L'émission spontanée se manifeste sous forme d'émission de lumière : écran de télévision, bioluminescence, marqueurs fluorescents, ...
• L'émission stimulée est mise en jeu lors de la réalisation des lasers.


Un peu d’histoire

L'utilisation de la couleur remonte aux origines de l'humanité. Depuis la préhistoire jusqu'à nos jours la maîtrise de la couleur a été un souci constant de nos civilisations. Il y a 30 000 ans déjà, l'homme des cavernes utilisait des pigments naturels pour réaliser les fresques qui ornaient les parois des grottes. Au siècle de l'image, la couleur reste toujours un sujet d'actualité. La recherche de nouveaux luminophores pour la réalisation des écrans de visualisation connaît actuellement un développement scientifique et technologique rapide.

L'histoire de la couleur est donc intimement liée à celle de l'humanité. L'analyse des peintures rupestres montre ainsi que la diversité des couleurs obtenues avec les ocres naturelles était liée à la maîtrise du feu. Les oxydes de fer passaient progressivement du jaune de la goethite (FeOOH) au rouge de l'hématite (Fe2O3) lorsqu'ils étaient chauffés à plus haute température. L'addition de bois vert dans le foyer engendrait une atmosphère réductrice qui transformait l'oxyde en magnétite noire (Fe3O4). Cette technique a connu son apogée avec les anciens Grecs comme le montrent les superbes vases exposés dans nos musées.

Pendant longtemps, l'homme a utilisé des pigments naturels d'origine minérale (bleu du lapis lazuli, cinabre vermillon HgS), animale (pourpre du murex, carmin de cochenille) ou végétale (rouge garance, bleu indigo). La véritable révolution a eu lieu dans la deuxième moitié du XIXe siècle avec la synthèse de la mauvéine par Henry Perkin en 1856.

Là encore, la couleur a joué un rôle fondamental dans l'évolution de la société. En quelques années, l'apparition des colorants de synthèse a ruiné les cultures traditionnelles de garance et d'indigo. Cette nouvelle chimie organique a rapidement dépassé le simple cadre des colorants pour initier des techniques nouvelles telles que la chimiothérapie et conduire au développement de l'industrie chimique européenne.

Jacques Livage
Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée
de Paris

 

Pour en savoir plus...

  La diffusion de la lumière


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