Ingénierie des couleurs plasmoniques

Les couleurs générées par plasmonique sont uniques dans la mesure où les propriétés optiques des nanoparticules métalliques peuvent être ajustées en modifiant la taille, la forme et la composition du matériau. Même si les chercheurs savent depuis de nombreuses années que les nanoparticules peuvent être utilisées dans des applications d’ingénierie des couleurs (en fait, l’un des premiers exemples de cette application est celui des nanoparticules d’or utilisées pour colorer les vitraux en rouge à l’époque médiévale), les applications commerciales ont été limitées. par le coût des matériaux plasmoniques. Les progrès des processus de fabrication à grande échelle permettent désormais d'incorporer ces matériaux dans des peintures, des plastiques, des cosmétiques et d'autres revêtements et composites pour conférer des propriétés optiques uniques à un large éventail de matériaux.

Ce module décrit les propriétés optiques uniques des nanoparticules plasmoniques et comment elles peuvent être utilisées pour conférer une couleur forte et des effets optiques uniques aux revêtements et aux composites.

Nanoparticules plasmoniques par rapport aux pigments et colorants standards

Les colorants et pigments commerciaux standard absorbent ou diffusent (réfléchissent) les longueurs d’onde de la lumière. Afin de changer la couleur de ces pigments colorants, la formule chimique doit être modifiée. Cela réduit l'accordabilité des pigments et rend les changements subtils de couleur difficiles à concevoir (généralement, une nouvelle molécule doit être utilisée pour chaque nouvelle couleur). De plus, les pigments ont tendance à diffuser ou à absorber la lumière, mais font rarement les deux.

Les nanoparticules, en revanche, peuvent être conçues pour absorber, se disperser, ou les deux. Étant donné que les couleurs des particules dépendent de la taille et de la forme, des changements très subtils peuvent être apportés sans nécessiter le développement d’une nouvelle formulation. Si seuls de très petits changements de couleur sont nécessaires, par exemple, la dimension des nanoparticules peut être augmentée ou diminuée de quelques nanomètres seulement. Ce niveau de contrôle synthétique offre un niveau de réglage sans précédent qui ne peut pas être atteint avec la technologie standard des colorants et des pigments.

Couleur perçue

Les nanoparticules apparaissent dans certaines couleurs car elles réfléchissent (diffusent) et absorbent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière visible. La lumière qui apparaît blanche est un mélange à peu près égal de longueurs d’onde de lumière perceptibles par l’œil humain (environ 400 à 750 nm, illustré ci-dessous). 

Lorsque la lumière interagit avec une formulation de nanoparticules, la lumière est soit absorbée, soit diffusée, permettant à la lumière qui continue d'atteindre l'œil de l'observateur d'apparaître dans une couleur spécifique - souvent appelée « couleur perçue ». Les sections suivantes décrivent comment les nanoparticules absorbantes et diffusantes interagissent avec la lumière.  

Couleur perçue grâce à l'absorption des nanoparticules

Lorsque les nanoparticules absorbent la lumière, l’observateur voit la lumière transmise à travers la formulation, ce qui lui fait percevoir une lumière qui est la couleur complémentaire de la couleur absorbée. Le spectre d'absorption des petites nanoparticules d'or est présenté ci-dessous et montre que les particules absorbent principalement dans les régions bleues et vertes du spectre visible.

Lorsque la lumière blanche interagit avec ces particules, la lumière bleue et verte est préférentiellement absorbée et la lumière rouge est transmise à travers le matériau. À l'œil nu, la formulation de nanoparticules apparaît alors en rouge, comme indiqué ci-dessous.

Couleur perçue à partir de la diffusion de nanoparticules

Lorsque des nanoparticules diffusent de la lumière, l'observateur voit la lumière diffusée par la formulation de nanoparticules et la couleur perçue correspond à la couleur diffusée. Par exemple, les grosses nanoparticules d’argent diffusent principalement la lumière bleue et verte, comme indiqué ci-dessous.

Lorsque la lumière blanche interagit avec ces particules, la lumière bleue est diffusée depuis le matériau jusqu’à l’œil de l’observateur. La lumière diffusée par les nanoparticules peut être observée directement à l'aide de la microscopie à fond noir. Une image de la lumière diffusée par des particules d'argent de 60 nm de diamètre est présentée ci-dessous, chaque point bleu représentant la lumière diffusée par une seule nanoparticule.

Couleur dépendante de l'arrière-plan

Étant donné que les nanoparticules plasmoniques diffusent et absorbent la lumière, leur couleur perçue dépend de la façon dont elles sont visualisées et de leur arrière-plan. Par exemple, la série d’images ci-dessous montre un mince film de nanoparticules sur un substrat de verre placé devant des fonds noir et blanc. Les mêmes nanoparticules semblent complètement différentes devant un fond blanc ou noir. 

La raison pour laquelle les particules plasmoniques apparaissent de couleurs différentes sur différents arrière-plans est due au fait qu'elles ont à la fois des composants de diffusion et d'absorption au sein de la même particule. Pour le cas des nanoparticules d'argent qui ont une résonance plasmonique dans la région bleue des spectres, sur fond noir, seule la lumière bleue diffusée par les particules est visible ; la lumière verte et rouge est absorbée par le fond noir. Cependant, sur un fond blanc, une partie de la lumière bleue est absorbée tandis que les lumières verte et rouge n'interagissent pas avec les particules et sont réfléchies sur la surface blanche, ce qui donne une couleur jaune.

Matériaux bichromiques

En plus d'avoir une réponse optique dans laquelle la lumière est principalement absorbée ou diffusée, les nanoparticules peuvent être conçues pour les deux absorber et diffuser des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, permettant ainsi de fabriquer des formulations avec des combinaisons de couleurs uniques. Lorsqu’une formulation peut être perçue comme une couleur différente selon l’endroit où se trouve l’observateur (ou l’angle sous lequel la lumière brille), nous la disons bichromique. Un exemple de solution de nanocoquilles d'or est présenté à droite, dans lequel la lumière transmise est principalement bleue/verte, tandis que la lumière diffusée est principalement de couleur rouge.


Ressources supplémentaires

Littérature recommandée

  1. Sun, Y. et Xia, Y. "Nanoparticules d'or et d'argent : une classe de chromophores dont les couleurs sont réglables dans la plage de 400 à 750 nm." Analyste128(6), 686-691 (2003).
  2. Liz-Marzán, L. M. « Nanométaux : formation et couleur ». Matériaux Aujourd'hui7(2), 26-31 (2004).
  3. Hsu, C. W., Zhen, B., Qiu, W., Shapira, O., Delacy, BG, Joannopoulos, J. D. et Soljacic, M. "Affichages transparents activés par la diffusion résonante de nanoparticules." Nature Communications5, 3152 (2014).

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