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OLΨMPIA∆EΣ DE PHΨSIΘUE Session 2005/2006

Maud Bancel Cécile Batailler Laura Diosdado Arnaud Doublier Geoffrey Demange

Sous la direction de : Noureddine MESBAHI et Gaël TOUSSAINT, professeurs au Lycée

Lycée Condorcet Saint Priest 69 800

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Plan détaillé :

1. Nature de la lumière 2. Quelques expériences illustrant l’origine physique des couleurs

2.1. Réflexion et réfraction : Lois de Descartes 2.2. Diffusion 2.3. Diffraction 2.4. Les interférences 2.4.1. Interférences de deux ondes lumineuses monochromatiques : Expérience de Young 2.4.2. Interférences des ondes polychromatiques 3. Les interférences dues aux lames minces 3.1. Exemple d'effet dans la vie courante: une bulle de savon

a) Observation b) Interprétation c) Mesures expérimentales

3.2. Autres exemples rencontrés dans la nature a) Les couleurs des plumes de paon b) Les couleurs des ailes des papillons

4. Applications industrielles 4.1. La multicouche 4.2. Traitement plasma 1. Photochromisme 2. Thermochromisme 3. Applications du photochromisme

Bibliographie

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• Vous me demandez quelle est la couleur de ce livre, dit le philosophe Ludwig Joseph Wittgenstein ; je réponds : il est rouge.

- Pourquoi dites-vous qu’il est rouge ? -Je ne sais pas ; je ne vois aucune raison ; je n’ai fait que le regarder et dire : qu’il est rouge ». • « La couleur, c’est la vie » • « Cette couleur est expressive, changeante, surprenante avec un toucher particulier, une odeur

évocatrices » • « A noir, E blanc, I rouge, U vert, O bleu : voyelles » • « Couleurs aux nuances en perpétuelle mouvance : insaisissable » Couleurs, couleurs, couleurs : notion universelle, de nombreuses définitions ; une seule fait l’unanimité : celle de la physique .Alors laissons-la nous guider dans l’incroyable monde des couleurs. La notion de couleur est donc difficile à définir d’une manière universelle et pourtant chacun la comprend intuitivement. Certains diront que «la couleur, c'est la vie» : c’est peut être une explication à la croissance des effets dans le monde de la couleur. C'est la Nature elle-même, au travers de ses multiples facettes (arc-en-ciel, nacre des huîtres, plumes de paons, écailles de poissons, ailes de papillons ...), qui nous montre qu'on peut attendre davantage d'une couleur : qu'elle soit expressive, changeante, surprenante avec même un toucher particulier voire une odeur évocatrice. D'autres diront qu'il y a une volonté de se faire remarquer, de briller en société. Pourquoi pas? Ainsi les interprétations de la couleur du physicien sont différentes de celles que donnent les linguistes ou les peintres. Pourtant la nécessité des relations entre ces différents domaines s’impose. La couleur est d’abord affaire de physique : c’est le résultat de l’interaction entre la lumière et la matière. On peut se poser beaucoup de questions pour comprendre les phénomènes colorés du monde qui nous entoure et des objets que nous fabriquons. Ce sujet a été conçu pour expliquer le plus simplement possible le principal d'entre eux : les interférences, phénomène pourtant complexe sur lequel Newton a créé des échelles de teintes d'après l'examen de lames minces! Quels sont les points communs entre une bulle de savon et un tissu à couleurs changeantes ? Qu’est-ce qui lie mode et physique ? Bien plus de choses qu’on ne le pense… Car, quand on concilie l’une et l’autre, on obtient d’étonnantes nouveautés. La physique serait-elle à la mode -en cette année mondiale de la physique- ou l’avenir de la mode ? Nul ne sait, mais l’avenir c’est demain et, quand la physique s’attaque à notre garde robe, à notre intérieur ou nos sièges de voitures, nous obtenons de nombreuses surprises. En effet, quel créateur de mode n’a jamais rêvé de tissus changeant de couleurs en fonction de diverses variables ? Ce rêve, la physique l’a mis à portée des podiums et autres salons automobiles. Scientifiques, commerciaux et designers marchant main dans la main, l’image pourrait prêter à rire, mais la physique n’est-elle pas connue pour son universalité ? Les acteurs principaux de ce renouveau du monde textile s’appellent « Interférences de lames minces », « photochromisme » et « thermochromisme » : quelques phénomènes physiques -aux noms compliqués pour le commun des mortels- qu’ils croisent et qu’ils vont croiser de plus en plus souvent. En effet qui ferait le lien entre la physique et la tache d’huile sous sa voiture, les bulles de savons que font ses enfants dans le jardin ou les verres progressifs de ses nouvelles lunettes ! Notre objectif n’est pas de nous faire annonciateurs de nouvelles tendances (-des magazines « branchés » s’en occupent déjà pour nous !-) mais d’expliquer ces différents phénomènes et leur diverses applications -dans le domaine textile particulièrement-, par l’expérimentation et la physique bien sûr.

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1. Nature de la lumière

La lumière est un rayonnement électromagnétique* qui peut provenir de différentes sources : corps chauffé ou éclairé.

En effet, lorsqu’on chauffe un objet, on agite les particules qui le composent. Ce mouvement incessant provoque des perturbations du champ électromagnétique : la présence de particules chargées

crée un champ électrique →

E et leur déplacement (courant électrique) crée un champ magnétique→

B . Dès qu’il y a une perturbation de ce champ, les particules vont se propager et former des ondes lumineuses.

La lumière se propage en ligne droite depuis son lieu d’émission dans le vide ou dans un milieu

transparent, homogène et isotrope. Il apparaît que la lumière est une onde, ce qui permet d’expliquer différents phénomènes lumineux

tel que la diffraction. Cependant, certains résultats d’expérience ne peuvent pas être interprétés par cette seule

considération. En effet, la lumière a aussi un aspect corpusculaire présenté et démontré par l’expérience de Hertz (1887). Le modèle corpusculaire identifie la lumière à un faisceau de particules : les photons. Newton remet en cause le modèle ondulatoire proposé par Huygens en considérant que si la lumière possédait un caractère ondulatoire, elle devrait être capable de contourner les obstacles, ce qui n’est pas le cas, comme le font les ondes sonores. Ces deux aspects admis actuellement ce complète cependant. Pour la formation de couleurs, l’aspect ondulatoire est le plus important.

La lumière est une onde transversale, c’est-à-dire que la grandeur →

E ou →

B qui se propage est perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde.

Remarque :

L'image n'est pas tout à fait juste, et sont en fait déphasés de 90° * les ondes électromagnétiques résultent de la superposition de 2 perturbations ondulatoires

dues aux champs électriques et magnétiques qui se propagent en ligne droite. Les 2 perturbations se déplacent dans des plans perpendiculaires à la direction de propagation.

Figure 1 : Onde électromagnétique : modèle du dipôle vibrant

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Figure 3 : Fréquences et longueurs d’ondes des radiations dans le vide

Sa vitesse de déplacement est caractéristique du milieu ; dans le vide, cette vitesse ou célérité est : c = 3,00.108 m.s-1.

Une onde lumineuse progressive plane sinusoïdale est caractérisée par sa longueur d’onde λ telle que :

λ = v/f v : vitesse (en m.s-1), λ : longueur d’onde (en m), f : fréquence qui caractérise une lumière monochromatique (en Hz) (f = 1/T avec T représentant la période en s).

La lumière blanche est polychromatique puisqu’elle est composée de toutes les radiations monochromatiques visibles par l’œil humain.

La lumière visible par l’homme a une longueur d’onde comprise entre 400 nm et 800 nm ou une fréquence comprise entre 7,50.1014 et 3,75.1014 Hz.

La lumière traverse les milieux transparents, qui sont caractérisés par leur indice de réfraction, n (sans unité) :

n = c/v v : célérité de l’onde électromagnétique dans le milieu (en m.s-1) et c : sa célérité dans le vide.

Figure 2 : Expérience de la dispersion de la lumière blanche par un prisme

Figure 3 : Fréquences et longueurs d’ondes des radiations dans le vide

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2. Quelques expériences illustrant l’origine physique des couleurs

Pour mettre en évidence l’interaction entre la lumière et la matière nous avons réalisé quelques expériences :

2.1. Réflexion et réfraction : Lois de Descartes

La réflexion est le changement de direction d’un rayon lumineux se propageant dans un

milieu transparent quand il rencontre une surface polie et qu’il est renvoyé dans ce même milieu.

Deux lois de Descartes caractérisent la réflexion : - le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans un même plan ; - les angles d’incidence i et de réflexion r sont égaux.

La nature de la radiation n’interviennent

pas (quelle que soit sa fréquence) puisque seul l’angle d’incidence a une influence sur le rayon réfléchi, la lumière blanche n’est donc pas décomposée.

La réfraction est le changement de direction d’un rayon lumineux lorsqu’il passe d’un milieu « 1 » homogène, transparent et isotrope à un milieu « 2 » également homogène, transparent et isotrope. Ce changement est dû à une modification de la vitesse de propagation à partir du point d’incidence (le point où le rayon lumineux incident frappe l’interface ou le dioptre*).

Rayon réfléchi

i r

Milieu 2 (n2) Réfléchissant

Rayon incident

Milieu 1 (n1)

Normale

- i est l’angle d’incidence - r est l’angle de réflexion

Figure 4 : Réflexion de la lumière par une surface réfléchissante

Figure 5 : Réfraction d’une lumière monochromatique

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Figure 6 : Dispositif expérimental mettant en évidence les deux lois de Descartes

n1 =indice de réfraction du milieu « 1 » : l’air n2 : indice de réfraction du milieu « 2 » : le plexiglas

i1 : angle d’incidence ; i2 : angle de réfraction Voici quelques résultats : Mesure de l’indice de réfraction de la solution d’eau savonneuse utilisée dans la suite.

i1 i2 sini1 sini2 0 0 0 0 10 7 0,17 0,12 20 13,5 0,34 0,24 30 20 0,50 0,35 40 25,5 0,64 0,45 50 31 0,77 0,54 60 35,5 0,87 0,61 70 39,5 0,94 0,66 80 43 0,98 0,69

Tableau de valeurs et représentation graphique : sini1 = f(sini2)

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Après modélisation, on en déduit que sini1 = a1.sini2 avec a1=n=1,42. Donc l’indice de réfraction de l’eau savonneuse est n = 1,42. Les 2 lois de Descartes de la réfraction sont vérifiées :

- le rayon réfracté et le rayon incident se trouvent dans un même plan ; - la relation entre les angles d’incidence et de réfraction est telle que :

n1 . sin i1 = n2 . sin i2 Dans le cas d’une lumière polychromatique (lumière blanche), comme on peut le voir, la réfraction

permet de décomposer la lumière .En effet, deux radiations n’ayant pas la même longueur d’onde n’ont pas la même vitesse dans les milieux autres que l’air, ou le vide. L’indice de réfraction du milieu dépend de la radiation ainsi que de l’angle de réfraction. Le plexiglas est un milieu dispersif : un faisceau de lumière blanche est dispersé par le

plexiglas puisque l’angle de réfraction de chaque radiation est différent. Les radiations qui ont les plus grandes longueurs d’onde (rouge) sont les moins déviées. 2.2. Diffusion

C’est la déviation, dans diverses directions, de

la lumière par des particules. Plus les particules d’un milieu sont petites (bien inférieures aux longueurs d’onde des ondes lumineuses perceptibles par l’homme), plus les radiations de courtes longueurs d’onde sont diffusées.

Exemple : la lumière du soleil est diffusée dans toutes les directions à cause des molécules d’air présentes dans l’atmosphère. Ce sont les radiations de courtes longueurs d’onde qui sont diffusées : bleu (à cause de la petite taille des molécules). C’est pourquoi le ciel n’est pas noir mais bleu.

La diffusion par des particules (ou diffusion de Mie) est à l’origine de la couleur des yeux, du ciel, de certaines plumes d’oiseaux comme les perroquets et de nombreuses plumes de papillons. La diffusion peut aussi décomposer la lumière blanche. Les grosses particules diffusent surtout le rouge mais aussi les autres longueurs d’ondes. Les petites particules ne diffusent que le bleu (voir schéma précédent).

Figure 8 : schéma représentant la diffusion deMie par deux particules de dimensions

différentes

Figure 7 : Réfraction d’une lumière blanche dans le plexiglas

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2.3. Diffraction

Lorsque un pinceau Laser traverse une ouverture de petite taille, on observera sur un écran placé derrière l’ouverture, si cette dernière est circulaire, une tache circulaire plus grande que l’ouverture mais comprenant des zones d’extinction. Plus l’ouverture est petite, plus la tache s’élargit et sa luminosité diminue. Dans le cas où l’ouverture est une fente fine et longue, on pourra observer des taches alignées selon une direction perpendiculaire à la fente ; la trace centrale est plus large et plus lumineuse que celles qui l’entourent.

La diffraction de la lumière blanche à travers une fente fine et longue produit des taches irisées. Chaque radiation de longueur d’onde λ donne sa propre figure de diffraction. La tache centrale est blanche parce qu’elle rassemble toutes les radiations.

La diffraction est caractéristique des ondes, donc ces expériences montrent le caractère ondulatoire de la lumière. 2.4. Les interférences 2.4.1. Interférences de deux ondes lumineuses monochromatiques : Expérience de Young

Il y a interférence lorsque deux ondes(dites cohérentes) de même période « T » et de même

longueur d’onde « λ » arrivent en un même point de l’espace alors qu’elles sont passées par deux chemins différents. Si l’interférence est constructive, on perçoit de la lumière : il y a superposition des ondes.

Si l’interférence est destructive, il y a extinction de la lumière. La différence de marche entre ces deux ondes est à l’origine des interférences constructives et destructives. En effet, les deux ondes n’ont pas parcouru la même distance, il y a donc une différence de marche :

δ = n2r2 – n1r1 (voir schéma figure16 p13,)

δ : différence de marche (en m)

Figure 9 : Schémas et figures de diffraction d’un faisceau LASER par une fente fine et longue puis circulaire

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r1 : distance parcourue par la première onde (en m) dans le milieu d’indice n1 r2 : distance parcourue par la deuxième onde (en m) dans le milieu d’indice n2 Si δ = kλ (où k est un nombre entier non nul et λ est la longueur d’onde en mètre), l’interférence

sera constructive : sur un écran, on observera une frange brillante. Les ondes lumineuses interagissent de façon constructive quand elles sont en phase (c’est-à-dire que leur minima et leur maxima coïncident).

Si δ = (k+ ½) λ, l’interférence sera destructive : sur un écran, on observera une frange sombre.

En effet chaque fois que l'onde rouge passe par un maximum, l'onde verte passe par un minimum. L'onde bleue résultante a donc toujours une très faible amplitude.

Ainsi, lorsqu’on envoie deux ondes lumineuses d'amplitude non nulle en un point de l'espace, on peut ne récupérer que du noir (absence de lumière) si le déphasage est un multiple demi-entier de la longueur d'onde.

Figure 11 : Interférence destructive : la résultante (en bleu) a une amplitude quasi-nulle

Figure 10 : Interférences constructives : la résultante (en bleu) a une amplitude maximale

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2.4.2. Interférences des ondes polychromatiques

On peut obtenir des interférences lumineuses à l’aide d’un réseau éclairé par une source de lumière blanche :

Chaque trait du réseau en réflexion réfléchi les ondes lumineuses dans toutes les directions de l’espace. Pour une longueur d’onde donnée, il existe des directions de réflexion pour lesquelles deux ondes réfléchies par deux motifs adjacents sont décalées d’une longueur d’onde : l’interférence est constructive et c’est dans ces directions que l’on voit la couleur. (Les ondes bleues sont en phase pour un angle d’observation, les ondes rouges pour un autre)

Un réseau en réflexion

Figure 13 : La diffraction et les interférences obtenues avec un réseau (ensemble de petites fentes ou de structures diffractantes) créent de l’iridescence. Grâce aux interférences, il y

formation de franges de couleurs

Figure 12 : Franges d'interférences données par une bi-fente d'Young éclairée en lumière blanche

Certains corps ne présentent pas de couleur simple, mais des couleurs iridescentes. On qualifie d’iridescence la propriété des objets qui imitent l’iris, c’est-à-dire tout objet dont la couleur varie avec l’angle d’incidence des rayons lumineux qui l’éclairent ou avec l’angle d’observation. Ce phénomène est fréquent dans la nature notamment chez certains insectes et oiseaux (papillons et paon voir plus loin). Les hommes ont étudié ces animaux et tentent de reproduire ces couleurs iridescentes (peinture automobile, textile…).

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3. Les interférences dues aux lames minces 3.1. Exemple d'effet dans la vie courante: une bulle de savon Une couleur interférentielle: comment, pourquoi?

a) Observation : Lorsqu’on éclaire, à la lumière blanche (lumière polychromatique), un objet transparent constitué de fines couches, il apparaît des franges colorées comme on peut le voir ici sur une lame ou sur une bulle de savon.

Une bulle de savon se compose d’un mince film d’eau savonneuse emprisonnant de l’air. Les couleurs iridescentes que l’on peut observer à sa surface sont dues à des interférences. En effet, le rayon lumineux incident se divise en deux rayons, lorsqu’il rencontre le dioptre air/savon, l’un est immédiatement réfléchi, l’autre est transmis dans la couche de savon et réfléchi sur l’interface savon/air. Les deux rayons sont parallèles à la sortie de la bulle. Ces deux rayons peuvent alors interférer.

b) Interprétation Considérons une surface réfléchissante, par exemple métallique, recouverte d’une couche mince

d’un matériau transparent d’indice de réfraction « n ». Un faisceau incident de lumière blanche sera en partie réfléchi sur la première surface, le reste sera transmis dans le milieu transparent puis réfléchi totalement par la seconde surface. Ce faisceau sera ensuite retransmis lors de la séparation milieu transparent/air, et très peu réfléchi. Les réflexions suivantes peuvent être négligées.

Figure 15 : illustration de la réflexion et la réfraction d’une onde lumineuse sur une bulle de savon, à l’origine des couleurs

iridescentes observées

Figure14 : Lame et bulle de savon

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Figure 17 : Interférences sur lame mince de deux ondes de différentes fréquences

Ces deux rayons, à la sortie de la lame, sont parallèles et vont ensuite interférer si une lentille convergente permet leur rencontre.

Suivant l’angle d’incidence du faisceau, ces interférences ne seront constructives que pour

certaines longueurs d’onde données, ce qui donne les couleurs iridescentes. Ici les ondes rouges sont en phase, donc il y aura Interférence constructive, et dans cet angle d’observation, on pourra observer une couleur rouge ; contrairement aux ondes bleues qui elles sont en opposition de phase.

I

B

C A

Normale

e

n > 1

nair = 1

(λ, f) (λ, f)

(λ, f)

D i1

i2

r1 : distance parcourue par la 1ère onde r2 : distance parcourue par la 2nde onde

i > r

i2

Figure 16 : illustration des interférences avec une lame mince d’épaisseur e : réflexion et réfraction successives

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Comme nous l’avons vu précédemment, la différence de marche « δ » est : δ = nr2 – r1 (car n2=n et n1=1)

δ = 2nAB – AD ; avec AB= e/cos i2 et AD= AC.sini1 δ = (2e.n) / (cos i2) – ACsin i1. ; avec AC= 2AI = 2e × tan i2 δ = (2e.n) / (cos i2) – sin i1 × 2e × tan i2 Selon la deuxième loi de Descartes relative à la réfraction : sini1 = n × sin i2, donc : δ = (2e.n) / (cos i2) – n.sin i2.2e (sin i2) / (cos i2) δ = (2e.n) / (cos i2) – 2×e×n (sin i2)2 / (cos i2) ; en mettant en facteur (2.e.n) / (cos i2) on obtient : δ = (2.e.n) / (cos i2) (1 - sin2 i2) = (2e×n) / (cos i2) × cos2 i2 = 2ne cos i2 On retient une relation simplifiée de la différence de marche :

δ=2ne cos i2 Mais en toute rigueur il faut tenir compte du retard subi lors de la réflexion qui correspond à λ/2,

soit une différence de marche totale égale à :

δ = 2ne cos i2 + λ/2

Quand l’incidence est très faible i1 = i2 ≈ 0 cosi2 ≈ 1, la différence de marche est approximativement égale à : δ = 2ne + λ/2

Si δ = kλ, alors l’interférence sera constructive. Si δ = (k+ ½)×λ, alors l’interférence sera destructive. Donc les couleurs à la surface d’une lame mince à faces parallèles dépendront de la longueur

d’onde de la lumière « λ » et de l’épaisseur de la lame « e ». Dans le cas d’une lumière polychromatique, on verra des couleurs interférentielles. Il suffit de

changer d’angle d’observation pour observer d’autres couleurs que celle perçue au départ.

Dans une lame mince à faces parallèles éclairée en lumière blanche, les couleurs iridescentes observées dépendent de l’angle d’observation. Dans le cas d’une bulle de savon, l’angle d’observation ne change pas en revanche l’épaisseur de la lame e varie. En effet le savon descend du fait de la pesanteur, cette épaisseur est donc plus importante en bas du film de savon qu’en haut. La longueur d’onde du rayon lumineux et l’épaisseur du film de savon permettent (d‘après l’expression vue précédemment) de savoir quand l’interférence sera constructive ou destructive.

c) Mesures expérimentales

Différence de marche et épaisseur : On peut montrer quantitativement la dépendance entre différence de marche et épaisseur en éclairant un film de savon avec une lumière monochromatique : Vue sous un même angle, seule l’épaisseur de la couche varie (pesanteur) et c’est ce qui provoque des franges brillantes et d’autres sombres.

Figure 18 : Photo du dispositif expérimental réalisé :

(1) : Source de lumière blanche (ou avec un filtre rouge)

(2) Support avec lame de savon (3) Lentille de projection (4) Eau savonneuse

(4)

(1)

(3)

(2)

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Quand on éclaire la lame de savon avec une lumière monochromatique, on constate que les franges d’interférences sont horizontales ; l’épaisseur du film de savon est donc constante horizontalement. L’épaisseur du film ne varie pas linéairement avec l’altitude puisque les franges ne sont pas équidistantes. Figure 19 : Figure d’interférences : (a) Eclairage avec une lumière monochromatique rouge (b) Eclairage avec une lumière polychromatique Si l’on éclaire cette fois la lame avec de la

lumière blanche cela nous permet de mesurer l’épaisseur en fonction de la position de la frange observée sur la lame.

On devine en haut de la lame de savon, une frange noire (la lame est très fine, son épaisseur est quasiment nulle). Cette frange noire est suivie d’une succession de couleurs : jaune, orange, violet foncé, bleu… (Teintes de l’échelle de Newton).

Sous l’effet de la gravité, la lame s’épaissit davantage vers le bas.

En exploitant l’échelle de teintes, on peut déterminer approximativement l’épaisseur de la lame à différentes positions de haut en bas :

• La première frange noire (frange observée vers le haut de la figure) correspond à une épaisseur de lame quasi-nulle.

• La deuxième frange est blanche et correspond à une différence de marche voisine de 0,25 µm. On peut estimer une épaisseur e telle que 2ne = 0,25 µm soit : e = 0,25 / 2n. Connaissant l’indice de réfraction de l’eau savonneuse n ≈1,4 (un peu supérieur à 1,33 celui de l’eau pure), on en déduit : e ≈ 0,089 µm.

La première frange nettement orangée correspond à une différence de marche selon l’échelle de Newton égale 0,95 µm, on peut en déduire de la même façon une épaisseur : e=0,34 µm. On peut ainsi déterminer l’épaisseur selon les couleurs des franges, et par conséquent on peut établir le profil d’épaisseur de la lame.

Figure 20 : Echelle de teintes de Newton : Ici la différence de marche représente 2ne.

Haut de la lame

L’épaisseur e augmente de λ/2n entre 2

franges sombres.

Bas de la lame (a)

Frange noire, ordre 0 : épaisseur e = 0

Frange blanche, différence de marche 0,25 µm

Frange orangée, différence de marche 0,95 µm

(b)

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3.2. Autres exemples rencontrés dans la nature a) Les couleurs des plumes de paon

Les couleurs de la plume résultent de sa structure finement divisée. Les variations de couleur selon l'incidence de la lumière sont caractéristiques des couleurs structurales dues aux microlamelles.

En effet l’observation d’une plume de paon nous permet de constater que la couleur observée dépend de la direction d’observation considérée. La figure de gauche montre la face intérieure d’une plume divisée en une série de cuvettes. Ces cuvettes sont tapissées d’une multitude de microlamelles régulièrement espacées. On peut considérer ces lamelles comme N miroirs réfléchissant la lumière incidente. On peut alors rapprocher l’étude de ce phénomène à l’étude d’un réseau de diffraction par réflexion.

b) Les couleurs des ailes des papillons Lorsqu’on observe une aile de papillon, par exemple celle d’un Morphidae, on remarque de

nombreuses couleurs vives qui changent selon la direction d’observation. A quoi cela peut-il être dû ? La présence d’écailles et de leur structure permettent d’expliquer ces couleurs. Ces structures sont

différentes selon l’espèce, ce qui est à l’origine de la diversité de couleurs des ailes de papillons. Une aile de Morpho est composée de deux couches d’écailles; la plus profonde est à l’origine des

couleurs et; la couche superficielle est transparente (elle laisse passer la lumière mais atténue les couleurs produites par la couche inférieure). Les écailles de fond sont appelées structurales.

En effet, elles présentent un réseau de stries longitudinales, parallèles à l’axe des écailles. La distance entre les stries est d’environ de 500 nm. Ces stries sont constituées d’un empilement d’une dizaine de lamelles de chitine d’une épaisseur de 90 à 100 nm séparées par de l’air et soutenues par des microtrabécules. Ces différentes couches forment un réseau régulier par réflexion. Les ondes lumineuses sont diffractées dans toutes les directions de l’espace au contact de ce réseau et chaque motif diffracte les ondes, se comportant comme une source de lumière secondaire. A la sortie de ces réseaux les ondes vont donc interférer, ce qui va créer des couleurs.

Figure 23 : Structure d’une aile de Morpho menelaus. (a) - vu à l’œil nu ;( b) – vu au microscope électronique (avec un grossissement de 100) ; (c) – vu au microscope (avec un grossissement de 1000) ; (d) – vu au microscope (avec un grossissement de 50000, vue de profil)

a)

b) c) d)

Figure 21 : Observation d’une plume de paon sous deux angles différents

Figure 22 : Vue microscopique d’une plume de paon

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4. Applications industrielles Les tissus à couleurs changeantes

Des entreprises textiles souhaitaient créer des tissus dont les couleurs pouvaient changer selon la position des observateurs. La pigmentation fut la première méthode qu’ils utilisèrent, mais ces tissus avaient des couleurs plutôt « délavées » et une faible longévité. Les industriels ont donc cherché à améliorer ces tissus au niveau de leur structure (afin qu’ils l’usent moins rapidement) en s’appuyant sur les structures des ailes de papillons ou celles des plumes de paon.

La compagnie Nissan Motor Company Limited a proposé des brevets présentant la fabrication d’un tissu de ce type. 4.1. La multicouche

C’est le même principe qu’avec une couche unique mais répété N nombre de fois. Plus les indices des milieux sont différents, plus la réflexion aux interfaces sera importante Les tissus présentés dans les brevets, déposés au Japon par K. Kumazawa et H. Tabata ont une structure en multicouches. Les substances a et b sont des résines, elles sont choisies en fonction de leur degré de transmission de la lumière visible, de leur indice de réfraction na et nb, et de leur épaisseur da et db , afin que les interférences permettent les meilleures couleurs. Par exemple, les substances pourraient être du polyvinylidène fluoride, d’indice de réfraction : na = 1,41 et du polyphénylène sulfide, d’indice de réfraction : nb = 1,82. Il y a différentes conditions pour obtenir une couleur dans le visible : les indices de réfraction des substances et l’épaisseur des couches demandent de nombreux calculs.

La structure a été modifiée pour utiliser, en plus de la structure multicouche, la diffraction. Cette nouvelle forme s’appuie sur les réseaux de lamelles des ailes de papillons.

Puis à ces deux phénomènes fut rajouté la diffusion. Pour cela des particules sphériques sont incorporées dans une couche ou structure de substance transparente. Les matériaux utilisés, leur indice de réfraction, la taille des particules, leur concentration et leur répartition doivent être choisis en vue d’obtenir une couleur visible après la diffusion. Ces particules sont incorporées à une structure multicouche/diffraction.

La fibre japonaise Morphotex s’appuie sur ces précédents brevets. Deux polymères* sont intercalés (polyamide et polyester) et forment 61 couches, chacune d’environ 70 nm. Autant de couches sont nécessaire pour obtenir une bonne réflexion car les indices de réfractions de ces deux substances sont très proches (npa = 1,53 et npe = 1,64). Les tons des couleurs des fibres sont métalliques et transparents, ce qui ne peut être obtenu par pigmentation.

Figure 23 : Structure multicouche regroupant diffraction et diffusion

Figure 22 : Schéma d’une multicouche avec trajet des

faisceaux.Figure 21 : photos de 2 morceaux de tissus à couleurs changeantes : Tissus Morphotex

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D’autres compagnies ont essayé de produire des tissus à couleurs changeantes comme la fibre Angelina® de la compagnie Meadowbrook qui reprend le même principe de structure ou le Morpho-structured Fabrics de la compagnie Kuraray où les fibres sont planes et torsadées.

Des modélisations informatiques montrent que d’autres tissus composés de nombreux brins cylindriques (ou pour que ce soit plus simple de section polygonale de 72 côtés) seraient iridescents. Les brins constituent un empilement de couches minces planes et parallèles, ce qui formerait une structure interférentielle : il faut deux ou trois couches d’indices de réfraction différents pour pouvoir observer l’effet d’iridescence.

Un fil de ce tissu serait composé de 64 brins identiques à celui décrit ci-dessus : il serait constitué d’un empilement de huit couches de huit brins alignés, chaque couche de brins peut être assimilée à une lame mince à faces parallèles séparée de la suivante par une mince couche d’air. Les couleurs interférentielles sont toujours observées, mais la pureté des couleurs est dégradée et le rouge difficile à obtenir (tout comme chez les papillons). Le choix des matériaux à utiliser pour former les couches minces et de leur épaisseur nécessitent une technologie de haute précision, non encore maîtrisée ; mais les modélisations ont permis de définir les caractéristiques de ces textiles du futur. 4.2. Traitement plasma

Pour déposer sur des matériaux des minces couches qui puissent produire des interférences, certains chercheurs (à l’I.F.T.H. : Institut Français du Textile et Habillement)se sont servi d’un équipement plasma. Ce dispositif permet de déposer une petite quantité de matériau sur un support. Il est principalement utilisé pour rendre des fibres hydrophiles ou des matériaux hydrophobes, ou encore pour changer l’aspect de surface.

Pour mettre en œuvre cette technique, il a d’abord fallu définir la nature chimique des matières utilisables pour les dépôts ainsi que leur épaisseur. Pour obtenir certaines couleurs en particulier, il faut tenir compte des longueurs d’onde pour calculer l’épaisseur à déposer.

Plusieurs tests et améliorations du système ont dû être réalisés pour trouver les meilleures conditions pour les dépôts. Les liquides convenaient mieux que les gaz : les couleurs apparaissaient, notamment avec le silicone.

Pour adapter cette technique au textile, d’autres matériaux furent recherchés pour former une couche superficielle, surface réfléchissante indispensable pour créer des interférences ; le polystyrène est le matériau retenu. Ces dépôts doivent se faire sur du tissu noir car le blanc diffuse la lumière dans toutes les directions au lieu de la réfléchir.

Mais cette technique n’est pas tout à fait au point et elle se révèle très onéreuse.

Figure 24 : Brins cycliques et de section polygonale avec des couches minces planes et

parallèles

Polystyrène n1==1,6

Silicone n2=1,46

PE noir

d1=77

d2=80

Figure 25 : Dépôt de deux polymères sur textile

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1. Photochromisme

Le photochromisme ou changement de couleur réversible lors de l’irradiation d’un matériau par des rayons ultraviolets (UV), on en parle de plus en plus dans les domaines de l’optique, de l’automobile… mais aussi dans le domaine textile. Découvert au dix-neuvième siècle, ce phénomène doit son nom à l’association de deux noms grecs photo (lumière) et chrome (couleur). Mais quel est donc ce phénomène présentant un intérêt croissant tant pour la recherche expérimentale que pour une application à moyenne et grande échelle ? (∆=chaleur)

Figure 26: Principe de photochromisme au niveau d’une molécule:

Où trouve-t-on le photochromisme ? Regardez la télévision et voyez cette publicité, de tel opticien, vous promouvant les avantages des verres progressifs qui changent de teinte en une dizaine de minute –de façon progressive - pour s’adapter à la luminosité ambiante. Sinon, allez chez votre concessionnaire automobile, il vous proposera certainement des rétroviseurs ou des vitres teintées traitées « photochrome ». Les applications du photochromisme tendent à se démocratiser. Mais qu’en sera-t-il à l’avenir ? L’avenir, c’est demain, et le photochromisme –ou plutôt les créateurs tendances et les commerciaux épaulés par de nombreux scientifiques- va bientôt s’attaquer à votre garde robe. Imaginez, un T-shirt dont la teinte varie en fonction de la luminosité ou que votre jean trahisse votre démarche : à force de marcher les mains dans les poches, la couleur de votre pantalon présente des traces de mains d’une teinte différente de celle du reste du vêtement ! Nous intronisons-nous annonciateurs d’une nouvelle mode ? Non, trêve de mode et passons à la physique !

Avant Après avoir laissé le tissu à la lumière

Forme A incolore Forme B colorée

UV

Visible, ∆

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Qu’est-ce que le photochromisme ? Le photochromisme est une réaction photochimique réversible : les rayons UV entraînent un changement de conformation et de structure de molécules photochromes appartenant à un système organique ou non. Ainsi, on fait varier la couleur de celui-ci en changeant ses propriétés optiques (coefficient d’absorption, indice de réfraction…). Il faut aussi noter un changement de ses priorités chimiques comme la polarité, la complexation, … Le photochromisme se divise, en fait, en deux temps :

-L’irradiation dans l’UV qui entraîne un changement structural et donc une modification de l’état électronique de la molécule se qui se traduit par un changement de ses propriétés optiques (ici sa couleur). Ces modifications structurales sont variables selon la famille de photochrome considérée : transfert de proton, isomérisation cis-trans autour des doubles liaisons, ou, comme dans notre exemple, ouverture et fermeture de cycles.

-La phase, dite de blanchiment, pendant laquelle, grâce à l’irradiation dans les bandes d’absorption et/ou thermiquement, la molécule retrouve ses caractéristiques initiales y compris en ce qui concerne la coloration. Exemple de photoréaction, cas des molécules diarylethenes :

La coloration (2), est ici obtenue par fermeture de cycle de la molécule de diaryléthene qui ne peut pas subir de blanchiment thermique (dite bistable) .Cette molécule synthétisée par M. Giraud et P. Yu du Laboratoire de Chimie Inorganique (Orsay) peut subir 10 000 colorations-décolorations sans dégradation. Cette molécule est donc un parfait exemple des molécules à employer pour une application durable : le système doit être bistable et résistant. La coloration résulte du fait que la molécule irradiée en changeant ses caractéristiques physiques se voit changer de spectre d’absorption (voir figures 28 et 29) L’application d’une couche de molécules photochromes sur un tissu permet donc de le faire changer de couleurs grâce à une réaction photochimique. Cependant, malgré la réversibilité du

FF

FF

F F

N

S S

N

NN

Visible ou faible température

F

F

F FF

F

N

S S

N

N N

Forme ouverte (1) Forme fermée colorée (2)

Figure 27 : Images en microscopie confocale d'un cristal de diarylethene, dont la forme ouverte fluoresce. La taille d'un point de l’idéogramme est d'environ 200nm dans le plan. On constate donc,ici, la coloration en rouge des molécules de diarylethene irradiées

UV ou ∆

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photochromisme, des travaux sont toujours en cours pour stabiliser cette couche moléculaire afin qu’elle résiste mieux, sur les textiles, au lavage et à l’usure du temps notamment.

Figure 28 : Spectres d'absorption d'un microcristal du diarylethene diary1 avant irradiation et après respectivement 1s, 2s et 3s

d'irradiation dans l'UV. Sous irradiation UV (365nm), on observe la formation d’une bande d'absorption centrée à 550 nm apparaissant dès la première seconde d'irradiation. La coloration est bien réversible, l'irradiation dans le

visible entraîne un retour à la forme incolore.

Figure 29 : Spectres de la solution organique (1) de diarylethène avant irradiation ( en rouge)

et après irradiation (en bleu) (2) de Spiropyrane avant irradiation sous UV ( courbe rouge)

et après irradiation ( courbe bleue)

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2. Thermochromisme Le thermochromisme est un phénomène semblable au photochromisme : les molécules changent aussi de propriétés optiques (coefficient d’absorption, indice de réfraction…) mais cette fois ci sous l’action de la chaleur ou du froid. On obtient ainsi des matériaux changeant de couleurs en fonction de la température. Cette transformation est-elle aussi- réversible. Cette technologie tend à sortir des laboratoires pour s’appliquer dans le domaine textile mais pourrait s’appliquer aussi dans des domaines comme l’emballage et la conservation des aliments. Ainsi, pour préserver la chaîne du froid, un aliment exposé à la chaleur verrait son emballage changer de couleur –de façon définitive ici- pour rendre visible toute négligence. La physique au service de la traçabilité alimentaire ! Mais les industriels sont-ils réellement prêts ? –financièrement parlant bien sur !- D’autres applications sont possibles comme appliquer le thermochromisme aux gobelets à café et aux biberons (pour éviter de brûler soi-même ou bébé) ou encore à des thermomètres certes moins précis mais plus aisément lisible (pour les enfants par exemple). 3. Applications du photochromisme

• Lunettes de natations : L'optique est réalisée en Plexisol qui offre une meilleure transparence que le verre. Cette optique photochromique spéciale comprend un matériau photosensible capable d'auto-ajuster sa coloration pour s'adapter à la luminosité ambiante. Soumit directement à la lumière solaire, le

« verre » devient plus foncé. Au contraire, il s'éclaircit par condition de faible luminosité. Il est recommandé pour la natation en extérieur et pour les activités nautiques de plein air.

• .Chaussures de sport : Ces chaussures possèdent des caractéristiques photochromiques. En effet, suivant l’intensité et l’incidence de la lumière, elles vont se colorer de différentes manières.

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Nous voici au terme de notre étude. Nous avons élaboré ce dossier en essayant de traiter de la façon la plus complète possible toute l’étendue de ce sujet d’actualité, et qui plus est, passionnant. Nous nous sommes efforcés d’être rigoureux, clairs et à illustrer abondamment nos propos. Les phénomènes de changement de couleurs et leurs applications étant en perpétuelle évolution le sujet est loin d’être clos. Mais cette étude nous a d’une part, permis de constater que les applications de la physique théorique dans le domaine des technologies de pointes sont nombreuses et variées et, d’autre part de rencontrer des physiciens, des industriels… :en résumé, toute l’organisation qui s’articule autour de la recherche scientifique. Malgré les difficultés pour obtenir des partenariats avec diverses entreprises étrangères (américaines et japonaises), nous avons tout de même réussi à en établir à un niveau européen, notamment avec nos amis d’Outre-Rhin. C’est donc un enrichissement personnel de travailler avec des scientifiques et des professionnels de tout horizons. Remerciements : Nos derniers mots s’adressent à tous ceux ayant contribué par leur apport scientifique, technique ou matériel à notre projet à savoir : - le Laboratoire de spectrométrie du CNRS de Grenoble, et plus particulièrement Isabelle Colombier; - l’Institut Français du Textile et de l’Habillement (IFTH),M.Guy NEMOZet ses collaborateurs M.Jacques Magave,M. Marc Dedieu ; - Messieurs Dujardin et Duffait, professeurs à l’université Lyon 1 ; - Aflelou St-Priest ; - Rodenstock (entreprise allemande spécialisée dans les verres photochromes) ; - Les professeurs du Lycée Condorcet ayant encadré notre projet : Messieurs Mesbahi , Toussaint et Mme Clavel Merci également au Comité des Olympiades de Physique pour l’organisation de cet événement.

Maud Bancel Cécile Batailler Laura Diosdado Arnaud Doublier

Geoffrey Demange

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Bibliographie Livre manuel scolaire : livre de chimie Microméga Hatier de terminale scientifique août 2002 Manuel scolaire de physique de terminale S, Hatier, 2002. extrait de revues: - Dossier Hors série Pour la science, Avril 2000, n° 27, p 8- 42. - Article d’une revue scientifique : BERTHIER Serge, LAFAIT Jacques, Des tissus aux couleurs changeantes, Pour la science, Décembre 1999, Numéro spécial 266, p 94-100. livres: - ZANANIRI Chérif, Couleurs et lumière, ellipses, la physique pour tous, 2003. - PERRIN Claude Jean, La physique de base, ellipses, p.190-200. - ZWIMPFER Moritz, Couleur optique et perception, dessain et tolra, p.14-74. rapport de stage: - Rapport d’un étudiant ayant travaillé à l’Institut Textile de France (ITF). sites internet:

- http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/enseignement/tp/interferences/interf.html - http://scubaland.fr/voir_P7110017.html - http://www.institutduverre.fr/vol%206-5/sahut.pdf - http://www.wissenschaft-frankreich.de/francais/3.1_publi_bulletinelectronique/archives/156/15819.htm - http://www.interactivecolors.com/ - http://perso.wanadoo.fr/physique.chimie/T_S_Index_N.htm#ANCRE_A_Ph - http://montblancsciences.free.fr/terms/terms0.htm#physique - http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/PRESENT/pagenorm.htm - http://jecaron.free.fr/papillons.html - http://www.springeronline.com/sgw/cda/frontpage/0,10735,5-10073-22-7109218-

0,00.html?changeHeader=true - http://semsci.u-strasbg.fr/dispute.htm - http://semsci.u-strasbg.fr/couleurs.htm - http://www.pourlascience.com/index.php?ids=vGlRlkxVlEiumAfeoywr&Menu=Pls&Action=3&idn3=

1135# - http://www.lemaleaime.com/?rubrique=catalogue&cat=9&sous=9&prod=179

-http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/OPPHPOL/intloc.htm http://montblancsciences.free.fr/terms/physique/cours/p4.htm - http://www.ujf-grenoble.fr/PHY/AGREGCAPES/AGREG/Docs/NoticesOptiq/7-LameSavon.pdf - http://www.ujf-grenoble.fr/phys-info/TPMichelsondemo/Modules/Applications/Applic.htm - www.ac-nancy-metz.fr - http://perso.wanadoo.fr/philippe.boeuf/robert/physique/bullesavon.htm - http://www.palms.univ-rennes1.fr/PHYLAS/f_interf.php - http://www.ujf-grenoble.fr/PHY/enseignement/plates-formes/optique/DocsOptique/Notices/LameSavon.pdf - http://www.teijin-eco.com/english/ecoproducts/02.html - http://www.dicros.co.jp/e/textile03.html - http://www.nissan-global.com/GCC/Japan/NEWS/20000508_0e.html - http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-dossierstransversaux-refractometre-Refractometre.html Cédérom - Microméga Edition Hatier 2002 - Encyclopedia Universalis France S.A. 2003.