Nouvelles

Jun 13, 2023

Comment les roches et les minéraux jouent avec la lumière pour produire des couleurs à couper le souffle

Les roches et les minéraux sont partout autour de nous. Certaines sont appréciées pour leur beauté, tandis que d’autres sont si communes qu’elles sont facilement ignorées. Ils viennent dans une variété de couleurs et de nuances. Certains captent la lumière, d'autres

Les roches et les minéraux sont partout autour de nous. Certaines sont appréciées pour leur beauté, tandis que d’autres sont si communes qu’elles sont facilement ignorées. Ils viennent dans une variété de couleurs et de nuances. Certains captent la lumière, d’autres la plient et certains la brisent même.

Mais pourquoi les rubis sont-ils rouges alors que les saphirs, qui ont presque la même formule chimique, se déclinent dans une multitude de couleurs ? Pourquoi le quartz, l’un des minéraux les plus abondants sur Terre, présente-t-il une telle diversité de couleurs et d’opacité ? Et pourquoi certains minéraux créent-ils leur propre monde d’arcs-en-ciel ? Les réponses à ces questions combinent le comportement des roches à l’échelle moléculaire avec une physique fascinante.

Même le rubis, le saphir ou l’émeraude le plus parfaitement taillé obtient sa couleur brillante en étant imparfait.

Commençons par les rubis et les saphirs, qui sont tous deux une variété de corindon. Ce minéral se forme lorsque l’oxyde d’aluminium s’agglutine étroitement dans une structure cristalline hexagonale. Dans sa forme pure, le corindon est clair ; cependant, il arrive parfois qu’un ion chrome remplace un ion aluminium dans le réseau cristallin. Cela ne prend pas grand-chose – peut-être seulement 1 atome sur 100 est remplacé – mais l’imperfection qui en résulte signifie que le chrome va désormais absorber les photons verts ou violets de la lumière frappant la pierre précieuse. La lumière rouge, cependant, continue d’être transmise, créant cette brillante teinte rubis.

Comme mentionné, les saphirs sont disponibles dans une multitude de couleurs : roses, rouges, jaunes, or, violet, pêche, champagne et, bien sûr, ce bleu si prisé. Comme les rubis, les saphirs résultent du remplacement des ions aluminium dans un réseau de corindon ; seulement cette fois, ils sont remplacés par des ions de fer et de titane (aussi peu que 1 ion sur 10 000). Lorsqu’une lumière d’une certaine longueur d’onde tombe sur un saphir, elle est absorbée et provoque le transfert d’un électron d’un ion de fer à un ion de titane. Il en résulte un saphir bleu. Pour produire des couleurs différentes, d’autres oligo-éléments doivent être présents dans le saphir, comme le plomb, le cobalt, le silicium, le magnésium ou encore le chrome.

En parlant de chrome, quelque chose de très différent se produit lorsqu'il remplace 1 % des ions aluminium dans le béryl minéral incolore : cela provoque l'absorption de la lumière rouge et jaune, créant une riche émeraude verte.

Certains minéraux brillent dans des nuances étranges de rose vif, de jaune vif ou même d'un vert d'apparence extraterrestre lorsqu'ils sont irradiés par la lumière ultraviolette. Ce phénomène se produit lorsque des ions ou certaines impuretés contenues dans le minéral (appelées activateurs) absorbent un photon ultraviolet, provoquant la promotion d'un électron vers une orbitale atomique d'énergie supérieure. Lorsque l’électron retourne à son état fondamental, il n’y va pas directement mais traverse plusieurs orbitales énergétiques différentes. L’une de ces transitions peut amener l’atome à émettre un photon d’une longueur d’onde plus longue dans le spectre visible. Lorsque cela se produit, le minéral « brille » selon un processus appelé fluorescence.

Les minéraux émettent une fluorescence dans une gamme de couleurs, notamment le bleu (comme la fluorite et la scheelite), le jaune (espérite), le rouge (smithsonite) et le violet (apatite). Ensuite, il y a l'autunite, un minéral contenant des cristaux en forme de blocs. Il contient près de 50 % d’uranium et émet une fluorescence vert vif.

Certaines pierres semblent contenir un arc-en-ciel de couleurs. Par exemple, les opales scintillent dans une grande variété de couleurs selon l'angle sous lequel elles sont vues. L’irisation de ces pierres est liée à la disposition de minuscules sphères de silice. La distance entre ces sphères est minuscule, de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière visible. Pour cette raison, ils agissent comme une sorte de réseau de diffraction, séparant la lumière en ses couleurs composantes.

L'irisation des perles est similaire. Une perle se forme dans une huître lorsqu'un petit morceau de sable ou un autre corps étranger pénètre dans la coquille. Petit à petit, il se recouvre de couches de nacre, un type de carbonate de calcium. L'épaisseur des couches de nacre est proche de la longueur d'onde de la lumière visible. Pour cette raison, si vous regardez une perle sous différents angles, la lumière se reflétera sur les différentes couches de la perle.