Fig1. Nacre naturelle

 

 

 







L’adjectif "nacré" se réfère à la nacre naturelle qui naît des dépôts successifs de carbonate de calcium à l'intérieur d'un coquillage. La plus belle nacre provient des huîtres perlières, mais on la trouve aussi dans des coquillages d'eau douce ou d'eau de mer (cf. figure 1).

La nacre naturelle est encore utilisée dans l’artisanat de luxe, mais il existe aussi de nombreux pigments artificiels qui reproduisent cet effet irisé tant prisé par les fabricants de cosmétiques ou de peintures.


Qu’est-ce qu’un pigment ?

Les pigments sont de petites paillettes solides qui apportent la couleur à une préparation liquide ou solide. On trouve des pigments dans les rouges à lèvres comme dans les peintures murales. Les pigments sont de plusieurs sortes selon leurs propriétés optiques.

Revenons donc sur les bases de l’optique géométrique (cf. figure 2). Lorsqu’un rayon lumineux traverse un objet, il peut être :

  • transmis : l’objet est transparent.
  • réfléchi : l’objet est d’aspect métallique, brillant.
  • absorbé : l’objet est coloré, on voit la couleur complémentaire à la couleur absorbée (cf. figure 3). Par exemple un objet est rouge parce qu’il absorbe le vert.
  • réfracté : à l’interface entre deux milieux différents, le rayon lumineux change d’orientation. On dit que les milieux ont deux indices de réfractions différents. Notons que l’air a un indice de réfraction de 1 tandis que l’eau a un indice de 1,33.


Figure 2 : Devenir d’un rayon lumineux arrivant sur un objet 

 

Figure 3 : Les couleurs complémentaires

Les pigments métalliques sont brillants, les pigments d’absorption ont une couleur franche, tandis que les pigments nacrés ont des propriétés intermédiaires : ils réfléchissent une partie de la lumière et en transmettent une autre.


L’effet irisé, comment ça marche ?

Prenons l’exemple d’une bulle de savon, il s’agit d’une couche d’eau savonneuse qui a un indice de réfraction différent de celui de l’air environnant. Une partie de la lumière se réfléchit à la surface de la bulle, une autre partie est réfractée dans l’épaisseur de savon puis se réfléchit ‘au fond’ et ressort. Les deux rayons lumineux sortants vont donner un effet irisé. Dans la pratique plus la différence d’indice est importante, plus l’intensité du phénomène d’irisation est importante ; c’est cette propriété qui est intéressante et on cherchera donc à utiliser des matériaux aux indices de réfraction les plus différents possible de celui du milieu.

L’effet irisé des pigments nacrés est obtenu par un jeu de réflexions/transmissions successives. Les pigments nacrés sont constitués de plusieurs couches d’indices de réfraction différents, qui vont chacune transmettre une partie de la lumière et en réfléchir une autre. La couleur réfléchie dépendant de la composition et de l’épaisseur de la couche traversée, on peut obtenir plusieurs couleurs en alternant différentes couches.

Notons que pour avoir une réflexion optimale de la lumière il faut que la surface du pigment soit la plus lisse possible. Ainsi il peut miroiter la lumière dans une direction préférentielle. Toutes aspérités ou crevasses contribuent à diffuser la lumière dans toutes les directions : le phénomène de diffusion entre en compétition avec le phénomène de réflexion et la part de lumière réfléchie sera atténuée. Dans de telles conditions le pigment nacré sera moins brillant. Ce "défaut" est utilisable dans certains cas car le pigment bien que moins brillant en devient plus couvrant.


Exemples de pigments nacrés

Le pigment nacré le plus courant est constitué de mica recouvert d’une couche d’oxyde de titane TiO2. L’indice de réfraction du mica est de 1,5. Il est trop proche de celui de la plupart des liants utilisés en cosmétique comme les corps gras, cires etc. qui ont des indices de réfraction entre 1,45 et 1,65. Cette trop faible différence d’indice par rapport au milieu environnant ne permet pas au mica de d’être considéré comme pigment nacré. De cette observation est née une nouvelle génération de pigments nacrés sous forme de paillettes de mica enrobées de substances telles que le dioxyde de titane (TiO2) ou l’oxyde de fer (Fe2O3), qui ont des forts indices de réfraction.

 

Différents oxydes utilisés pour les pigments nacrés :

  • L’oxyde de titane TiO2 :

L’oxyde de titane a un indice de réfraction très élevé (2,5). Il est fréquemment utilisé seul comme pigment blanc à fort pouvoir couvrant. En plus de ses propriétés pigmentaires, le dioxyde de titane présente un intérêt considérable pour l’industrie cosmétique en tant que filtre UV. En couche fine, il donne des effets irisés variables selon son épaisseur :

  • de 40 à 60 nm (rappelons qu’un nanomètre fait un milliardième de mètre, soit un millionième de millimètre) : effet nacré argenté
  • de 60 à 80 nm : le jaune est réfléchi, le bleu est transmis
  • de 80 à 100 nm : le rouge est réfléchi, le vert est transmis
  • de 100 à 140 nm : le bleu est réfléchi, le jaune est transmis
  • de 140 à 160 nm : le vert est réfléchi, le rouge est transmis
  • Les oxydes de fer :

Les oxydes de fer ont pour formule générale FexOy. Il en existe de différentes couleurs, la couleur dépendant de la structure chimique de l’oxyde :

  • l’oxyde de fer rouge Fe2O3 ou oxyde ferrique
  • l’oxyde de fer jaune Fe2O3, xH2O (des molécules d’eau y sont incorporées) appelé oxyde ferrique hydraté si x=1 soit Fe2O3, H2O = FeO(OH)
  • l’oxyde de fer noir Fe3O4 = (FeO)(Fe2O3) ou oxyde ferrosoferrique obtenu par réduction de l’oxyde ferrique. 
  • l’oxyde de fer brun de formule générale (FeO)x(Fe2O3)y obtenu par mélange d’oxydes de fer rouge, jaune et noir.
  • L’oxyde de chrome :

L’oxyde de chrome Cr2O3 est un pigment de nuance vert olive. Il a une remarquable stabilité à la lumière, à la chaleur et aux agents chimiques extérieurs.


Exemples de pigments nacrés :

  • Mica/TiO2 : le mica sert de base transparente à l’oxyde de titane qui donne l’effet nacré.
  • Mica/TiO2/Fe2O3 : un enrobage supplémentaire de pigment d’absorption Fe2O3 est ajouté. Grâce au jeu de couleurs interférentielles obtenues par décomposition de la lumière sur la couche de TiO2 et de leurs modifications dues à l’enrobage, on peut réaliser une paillette dorée ou cuivrée.
  • Mica/TiO2 et autres pigments : un enrobage supplémentaire autour de l’oxyde de titane permet de réfléchir une couleur interférentielle différente. On peut par exemple utiliser du carmin de cochenille pour avoir des magentas (cf. figure 3) ou de l’oxyde de chrome Cr2O3 pour avoir des verts. Ce sont des pigments de combinaison.

Figure 3 : Structure de l’acide carminique, principe actif du carmin de cochenille

 

  • Mica/TiO2/Polymère :

Les pigments ordinaires doivent être manipulés sous forme de suspension (c’est-à-dire dans un liquide) qui sont compliquées à mettre au point. En effet, les pigments classiques Mica/TiO2 sont fragiles et sous forme sèche ils sont facilement détruits à cause de la friction. Ceci pose problème par exemple pour les ombres à paupières en poudre, pour lesquelles les pigments nacrés risquent d’être détruits lors de l’application. C’est pourquoi des pigments recouverts d’une couche de polymère ont été conçus : ils ont l’avantage de pouvoir être manipulés sous forme de poudre sèche. On rappelle que les polymères sont des matériaux constitués de macromolécules (de grosses molécules) formées d’une répétition d’un motif unique appelé monomère. Le polyacrylamide par exemple est constitué de nombreuses unités d’acrylamide liées les unes aux autres.

 

Applications en cosmétique

Il est évident qu’un produit cosmétique ne doit contenir strictement aucune substance toxique. La plupart des produits toxiques le sont au-delà d’une certaine dose qu’il ne faudra donc en aucun cas dépasser. Les pigments nacrés ne présentent aucune toxicité et peuvent donc être utilisés sans problème.

  • Maquillage des ongles

Les vernis à ongles sont formulés avec des doses réduites de pigments, n’excédant pas 0,5% et des pigments nacrants en poudre ou en suspension. Les vernis sont très souvent commercialisés dans des flacons transparents donc les pigments doivent présenter une stabilité à la lumière acceptable. Les pigments minéraux (oxyde de titane, de fer…) répondent bien aux objectifs pour des vernis couvrants. Selon leur pouvoir couvrant, les vernis à ongles peuvent contenir jusqu’à 2% de pigments.

  • Maquillage des lèvres

Le maquillage des lèvres nécessite l’emploi de laques et pigments de tonalités très vives qui ne peuvent pas être obtenues à l’aide de pigments minéraux. Les nuances saturées sont essentiellement dans les matières colorantes dérivées de la synthèse organique. En revanche, des pigments minéraux sont souvent utilisés en complément pour leurs effets esthétiques : l’oxyde de titane pour l’obtention de tonalités claires ou dégradées et pour augmenter le pouvoir couvrant, l’oxyde de fer pour l’obtention de bruns.

  • Maquillage des yeux

Au contraire, les produits de maquillage des yeux utilisent essentiellement des pigments minéraux : l’oxyde de titane pour le blanc, les oxydes de fer pour les ocres jaunes / rouges / bruns / noirs, l’oxyde de chrome pour le vert, etc.

  • Soin de la peau

Les pigments nacrés ne sont pas uniquement utilisés dans le domaine de la cosmétique décorative. En effet leurs propriétés optiques peuvent être utiles pour les correcteurs de teint associés à des soins de la peau. Une irisation verte permet d’atténuer les rougeurs de la peau par addition de ces deux couleurs complémentaires. De même pour le reflet violet qui donnera "bonne mine" à un teint jaune/vert et pour le reflet bleu qui éclaircira un teint asiatique. Ces différentes irisations minérales, par leur totale innocuité, sont maintenant les compléments nécessaires au maquillage des imperfections de la peau.

De même, le masquage des rides à l’aide de substances minérales peut être réalisé efficacement par des pigments ayant une structure comparable à celle de la peau. Les paillettes s’orientent parallèlement à la surface de la peau lors de l’application sur le visage. Le support cosmétique contenant le pigment, en s’accumulant de préférence dans le relief cutané, reproduit à l’aide de ces paillettes orientées la continuité épidermique : les rides s’estompent.

 

Extrait du dossier "Chimie pour Tous", ce texte a été rédigé dans le cadre d'une convention entre le Département Sciences Chimiques du CNRS et la Junior Entreprise de l'École nationale supérieure de chimie de Paris (ENSCP).


 

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