Des bols de cristal colorés par des nanoparticules ? Vous en avez peut-être déjà rêvés : des bols de cristal en couleur ! En fait, il existe différentes manières de colorer un vaisseau de quartz. Mais savez-vous qu’aujourd’hui, la technologie permet l’utilisation de nanoparticules pour cela ?


Quels sont les avantages ?

Chaque méthode de coloration, par traitement de surface ou dans la masse, offre un spectre de couleurs différentes. Le résultat varie selon la méthode, avec des effets comme l’irisation transparente ou des coloris plus foncés, miroir ou givré.
Chacune de ces méthodes a des avantages et des inconvénients. L’atout majeur des bols de cristal colorés par des nanoparticules, c’est la garantie d’une couleur qui ne s’altère ni à l’usage, ni avec le temps. Par ailleurs, nous obtenons une réponse spectrale qui semble être en 3D. Et la palette de nuances est infinie !


Tentons de mieux comprendre :

Que signifie nano ?

Dans l’univers du nano, nous sommes à l'échelle du milliardième de mètre ! Vous vous en doutez, le nanomètre (nm) est utilisé pour exprimer des dimensions à l'échelle atomique. Du point de vue dimensionnel, les nanoparticules se situent entre la matière dite macroscopique et l'échelle atomique ou moléculaire. Leur taille est donc bien inférieure à celle d'une cellule humaine.
Le nanomètre est aussi utilisé pour exprimer les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique, et notamment du spectre visible, qui se situe entre 400 et 800 nm.

Qu’est-ce qu’une nanoparticule ?

Une nanoparticule est (norme ISO TS/27687) un nano-objet dont les trois dimensions sont à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire une particule dont le diamètre nominal est inférieur à 100 nm.
Pour obtenir un bol de cristal coloré par des nanoparticules, il nous faut donc utiliser des bains qui contiennent ces toutes petites particules colorées. Et il faut qu’elles se fixent de manière homogène ! Tout un art s’allie donc à cette haute technologie.


Comment les bols de cristal sont colorés ?

La base de ces bols est claire et transparente. Ensuite, les nanoparticules vont les colorer dans une trempe, grâce à des ions métalliques de transition, ici de l’argent (Ag). L’objectif étant de le faire précipiter en agrégat, afin d’obtenir une coloration nette. Il s’agit d’une méthode d’échange ionique qui s’appuie sur la substitution d’un ion du quartz par un ion d’argent.
La coloration par échange ionique à l’argent, fait appel à de nombreux savoirs dans le domaine des nanomatériaux. Cela consiste donc à introduire des ions argent dans la matrice du quartz, que l’on fera ensuite agréger, pour former des nanoparticules métalliques contenues dans ce même quartz. Une technologie hybride
Cette technologie est complexe et hybride car elle emprunte à la physique classique tout comme aux théories quantiques. Elle fait également appel à la théorie du champ cristallin, qui décrit la structure électronique des complexes de métaux de transition.

Un brin d’histoire :

Lorsque l’on évoque la nanotechnologie, nous pensons que c’est contemporain. En fait, ce n’est pas tout à fait exact dans le domaine de la coloration de matériaux.
Historiquement
, les couleurs vives, obtenues en dispersant des composés métalliques dans du verre, sont empiriquement connues depuis des siècles : les verres colorés dans la masse par inclusion de poudres métalliques ont été utilisés dès l’antiquité pour la fabrication d’objets d’art puis, au moyen âge, pour celle des vitraux. Par exemple, les vitraux de la cathédrale de Chartres (cathédrale de style gothique construite au début du XIIIe siècle), utilisaient ce procédé qui consiste soit à inclure de l’or, de l’argent ou du cuivre dans la pâte de verre ou de colorer des verres sodocalciques traditionnels. Aujourd'hui, les verres sodocalciques constituent les bouteilles en verre coloré, les flacons de parfum , le vitrage…) par échange ionique grâce au métal argent. Jadis, nous obtenions déjà des couleurs grâce aux métaux, mais ils étaient fondu dans la masse : le rouge rubis est obtenu grâce aux particules de cuivre ou d’or le jaune est obtenu par l’argent

Tout est dans les jeux de la lumière

Aujourd'hui, nous "jouons" à l'échelle de l’infiniment petit, au cœur des premiers plans des matériaux. La richesse des couleurs des bols de cristal CAMAIEUX de Cristal Vibrasons® est relative à : introduction d’ions métalliques (métaux de transition) degré d’oxydation des métaux.

Comment ça marche ?

Pour expliquer le phénomène, disons que lorsque les ions métalliques reçoivent de la lumière, ils absorbent une partie de l’énergie transportée par les photons lumineux, provoquant une excitation des électrons de leurs couches superficielles. Ces électrons évoluent alors de leur état d’énergie fondamentale, vers des niveaux d’énergie supérieure. En fonction des écarts entre les niveaux d’énergie, l’ion absorbera une certaine fréquence de la lumière reçue, puis réémettra la couleur complémentaire. Donc autant d’écarts d’énergie possibles, autant de couleurs possibles !


Des couleurs inaliénables :

Si elles sont inaltérables, c’est le fait de leur fabrication ! En effet, une fois l’argent introduit dans la matrice du bol de cristal, ce dernier subira un traitement dans un bain d’eau régale (mélange d'acide chlorhydrique concentré et d'acide nitrique concentré, pour dissoudre les métaux dits nobles). Puis, le métal se répartira de manière homogène dans le mélange lors de la chauffe suivante. Cette chauffe permet aux atomes d’argent de se déplacer encore légèrement dans le quartz. Lorsqu’ils se rencontrent, ils vont s’accrocher les uns aux autres : c’est l’étape de la croissance cristalline conduisant, petit à petit, à la formation d’agrégats de plusieurs centaines, voire de quelques milliers d’atomes métalliques !


Comment obtient-on des « mixages » de couleurs aussi précis ?

En fait, la taille des agrégats métalliques va influencer la couleur. Regardons de plus près leurs structures et leurs propriétés optiques.
On a ici, non plus une absorption atomique de la lumière (absorption par des atomes de métaux ou ions métalliques), mais une absorption optique très particulière par des agrégats entiers.
Cela repose sur deux phénomènes concurrents :

  • il s’agit de métal, même à l’échelle de l’infiniment petit : donc, il absorbe la lumière par inter-bandes (entre la bande dite de valence et la bande dite de conduction). Cela se produit généralement à des longueurs d’ondes assez lointaines, vers l’ultraviolet (entre 10 et 400 nanomètres).
  • il s’agit d’agrégats tout petit : donc, le nombre d’atomes en surface est important par rapport au nombre d’atomes à l’intérieur. Ceci a pour conséquence que les atomes en surface forment avec leurs électrons libres une sorte de gaz, capable d’entrer en résonance avec tout rayonnement magnétique, en l’occurrence la lumière, et de produire ce qu’on appelle une « résonance plasmon ».

Qu'est-ce qu'un plasmon ?

Un plasmon, c’est une oscillation de plasma quantifiée. On parle aussi de quantum d'oscillation de plasma. Ainsi, il s’agit d’une quasi-particule qui résulte de la quantification de fréquence plasma (tout comme le photon et le phonon sont des quantifications de vibrations respectivement lumineuses et mécaniques).
Pour schématiser, les électrons se mettent à vibrer ensembles, ce qui leur permet d’absorber la lumière à une longueur d’onde bien particulière. Cette longueur d’onde, associée à l’absorption inter-bande, conduit aux teintes observées dans la collection CAMAÏEUX de Cristal Vibrasons® ou dans les bols de l'application en ligne sur mesure, pour créer vous-même votre bol de cristal chantant !

Si la lumière n’est pas décomposée, elle est monochromatique : elle correspond à une radiation.

Si la lumière est décomposée, elle sera polychromatique.

Ainsi, la collection Camaieux propose des bols de cristal avec une seule couleur et d’autres avec des couleurs différentes. Ces couleurs magnifiques nous sont possibles grâce à la collaboration de chimistes et de physiciens. Cette alliance, qui a permis la compréhension et la maîtrise de la structure des matériaux à l’échelle nanométrique, a déjà révolutionné l’industrie du verre, par exemple.


Aujourd’hui, cette avancée perce jusqu’aux creusets en quartz de roche et transforme ces fabricants en une industrie ou s’épouse la haute technologie et l’artisanat d’art. Une technologie novatrice et inspirante, au service de la créativité et de l’homme… 


A Tout bientôt les Cristallins