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Accueil du site > Culture & Loisirs > Étonnant > Colorful physics : l’iridescence

Colorful physics : l’iridescence

Ce Billet a été concocté par LamSon, notre nouvelle recrue sur SSAFT. LamSon est post-doc en physique statistique, spécialisé dans les verres et les colloïdes. Il vit au Japon depuis 6 ans. Pendant son temps libre, il conçoit des jeux de rôle innovants sur internet qui apparaissent sur "Comme un Roman, l'association" (http://cur-asso.dyndns.org). Bienvenue dans l'équipe LamSon et que le Funk soit avec toi !


Avec le fabuleux billet de Taupo sur les iris, je trouve l'introduction parfaite pour venir contribuer à ce blog. On va essayer de ne pas faire baisser le niveau.
 

Mythologie plein les mirettes

Comme l'a si bien dit Taupo, Iris est une déesse grecque, messagère des dieux, portée par des ailes brillantes de toutes les couleurs réunies. De son nom découle l'adjectif irisé, le phénomène de l'iridescence dont nous allons parler tout de suite, et bien sur le diaphragme coloré de notre œil. L'autre mot pour dire iridescence moins poétique mais tout aussi grec est goniochromisme qui, en plus de permettre de frimer en société, explique bien de quel phénomène il s'agit : Gonio c'est l'angle (comme dans goniomètre) et "chromos" c'est la couleur ce qui nous donne "couleur changeant avec l'angle".
 

Mais assez de mots savants, et extasions-nous sur la beauté du phénomène. La fragilité des bulles de savons ...



... la nacre des coquillages ...
 

Abalone shell



... les plumes des oiseaux...
 

Paon Bleu



... les ailes des papillons...
 

Papillon bleu



... et plus prosaïquement l'huile de moteur souillant la chaussée.
 

Oil Leak at Bus Stop

Physique de salle de bain

Mais alors, comment ça marche ? Imaginez une salle de bain avec des miroirs parallèles. La lumière se réfléchit sur un miroir, puis sur l'autre, puis sur l'autre, etc.
 

Mirrors


Mais quel est le rapport : vous n'avez jamais remarqué que votre reflet changeait de couleur dans le miroir. C'est parce que votre salle de bain est beaucoup trop grande ! Si vous aviez un espace de quelques micromètre (millièmes de millimètres) entre les miroirs, vous commenceriez à voir des choses étranges. En effet, la lumière visible a une longueur d'onde de quelques centaines de nanomètres (d'environ 400 nm pour le violet à 800 nm pour le rouge en passant par 530 pour le vert). A cette échelle de longueur, on ne peut plus oublier que la lumière est une onde. Or, une onde ne peut avoir qu'un nombre entier de vagues entre deux murs :

  1. un creux et une bosse
  2. ou alors un creux, une bosse, un creux, une bosse
  3. ou alors un creux, une bosse, un creux, une bosse, un creux, une bosse
  4. etc.

Pas possible d'avoir trois quart de creux et une bosse, ou un sixième de creux et cinq sixièmes de bosse. Voyons voir si vous avez deviné comment tout cela se combine. Si vous avez exactement 1 micron = 1000 nm entre deux miroirs parallèles, quelle est la couleur d'un rayon lumineux exactement perpendiculaire aux miroirs ? (réponse après le schéma)
 

Onde stationnaire pression tuyau ouvert trois modes



Si on met une seule onde entre les deux miroirs, on a par définition une longueur d'onde de 1000 nm. Ce n'est pas visible (infrarouge). Si on met deux ondes, on a une longueur d'onde de 1000 nm /2 = 500 nm, soit un vert printemps. Si on met 3 ondes, on descend à 333 nm c'est à dire qu'on tombe dans l'ultra-violet. Du coup, la réponse est vert pour les profanes et 500 nm pour les savant fous.


Maintenant, imaginez que le rayon lumineux fasse un angle de 30° avec l'axe des miroirs. Une sinusite aiguë nous apprend que la distance que la lumière parcourt entre les miroirs est alors deux fois plus grande (2000 nm), on peut donc avoir du rouge (3 longueurs d'onde de 667 nm), le même vert que tout à l'heure (4 longueurs d'onde de 500 nm) et du violet (5 longueurs d'onde de 400 nm). Bien entendu, ça marche avec n'importe quel angle : suivant l'angle de rebond de la lumière entre les deux miroirs, une ou plusieurs couleurs sont sélectionnées. Voilà l'origine du goniochromisme expliqué.
 

Du savon dans la salle de bain

La bulle de savon correspond exactement à la situation de nos miroirs de salle de bain, sauf que les miroirs sont incurvés. En effet, une bulle de savon est constituée d'une mince couche d'eau (l'enveloppe de la bulle) séparant l'air extérieur de l'air intérieur. Les deux interface eau-air jouent le rôle des miroirs en réfléchissant la lumière entre eux, mais en en laissant passer une partie, ce qui nous permet de contempler l'iridescence.
 

Reflection from a bubble1



Remarque pour ceux qui suivent : il y a également une grande part d'interférences dans ce phénomène, comme décrit dans la page wikipédia en anglais, mais restons simples.

Un paon au microscope

Grâce à l'iridescence, de nombreux animaux se passent de pigment pour afficher leurs couleurs chatoyantes. Les plumes des paons par exemple présentes des structures périodiques qui agissent comme autant de miroirs de salle de bain.
 

Plumes de paon au microscope

Images de microscopie électronique à balayage et à transmission de plumes iridescentes de paon. A) Une barbe aux nombreuses barbules d'une plume bleue, B) plusieurs blocs de barbules au sein d'une plume bleue, C) section de coupe transverse d'une barbule de plume bleue, D) section de coupe transverse d'une barbule de plume jaune observée sous un plus fort grossissement, E) section de coupe transverse d'une barbule de plume bleue (transmission), F) section de coupe longitudinale d'une barbule de plume bleue. La barre d'échelle est de 1 micron pour D et de 400nm pour E et F.


Source : Yoshioka, S. and Kinoshita, S., Effect of macroscopic structure in iridescent color of the peacock feathers, Forma, 17, 169–181, 2002


Je vous laisse déjà digérer tout ça, et je vous parlerais surement des opales dans un prochain numéro.


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5 réactions à cet article    


  • Harfang Harfang 22 juillet 2011 12:28

    Passionnant ! J’attends la suite sur les opales avec impatience !
    Je connaissais les principes de l’iridescence, mais j’avoue que je ne m’étais jamais posé la question dans le cadre des miroirs rapprochés à des distances inférieurs aux longueurs d’onde visibles...


    • tomcaz tomcaz 22 juillet 2011 22:24

      J’arrive avec la question c’est quoi l’iridescence et je repars avec :

      Pourquoi "<i>une onde ne peut avoir qu’un nombre entier de vagues entre deux murs</i> ?

      Pourquoi


      • tomcaz tomcaz 22 juillet 2011 22:30

        *Désolé fausse manip*

        J’arrive avec la question c’est quoi l’iridescence et je repars avec :

        Pourquoi une onde ne peut avoir qu’un nombre entier de vagues entre deux mur ? Qu’advient ils des autres ondes, par exemple à l’approche de la première paroi de la bulle de savon ?

        Pourquoi la bulle de savon à 2 parois ? Par construction au niveau moléculaire ?

        Pourquoi vous prenez le sinus et pas le cosinus si la trajectoire dévie de 30° par rapport à la perpendiculaire commune aux 2 miroirs ? J’aurais corrigé de 2/[racine_carrée(2)]

        Comment créer des questions à partir d’une question...


      • LamSon 23 juillet 2011 01:35

        Bonjour, je suis l’auteur original de l’article.

        Déjà la réponse à la question la plus simple : la bulle de savon est constituée d’une mince couche d’eau (savonneuse) entre l’air à l’intérieur de la bulle et l’air à l’extérieur. Il y a donc deux frontières (interfaces) eau-air :

        • l’interface eau-air intérieur
        • l’interface eau-air extérieur
        Or, quand il y a une interface entre l’eau et l’air, elle agit comme un miroir partiellement réfléchissant (on voit son reflet à la surface d’un lac).

        Ensuite, il faut bien comprendre que la situation où on a deux miroirs parfaitement plans, totalement réfléchissants et parfaitement parallèles est une situation idéale qui ne fait que schématiser la réalité. Dans le cas d’une bulle de savon, les interfaces ne sont que partiellement réfléchissantes, donc la majorité de la lumière traverse tout droit. C’est pour cela qu’on « voit à travers » de la bulle. Mais pour la partie de la lumière qui est réfléchie et qui est piégée entre les deux interfaces avant de s’échapper, on a bien une sélection de longueur d’onde.

        Une onde qui parvient sur un miroir est réfléchie. On a donc deux ondes qui interfèrent : l’onde qui arrive et l’onde qui repart, toute deux de même longueur d’onde. On peut montrer par le calcul (illustration) que la somme de ces deux ondes est une onde stationnaire (qui ne se propage pas), elle aussi de même longueur d’onde.

        Si on place un second miroir perpendiculaire au premier, on a une infinité d’ondes qui se propagent dans les deux sens. Toutefois, on peut prouver que leur somme est exactement nulle (interférences parfaitement destructives) sauf dans le cas où distance entre les deux miroir est un multiple entier de la longueur d’onde. Ce n’est pas que les ondes disparaissent, c’est qu’elles s’auto-annulent après réflexion.

        Et enfin, le coup du sinus.
        sin = coté adjacent / hypoténuse
        le côté adjacent, c’est l’axe des deux miroirs, l’hypoténuse c’est notre direction de propagation. Donc hypoténuse = coté adjacent / sin


      • tomcaz tomcaz 23 juillet 2011 11:29

        Merci le complément d’explication, cela donne beaucoup de sujets intéressants à creuser comme l’auto-annulation d’ondes électromagnétiques.

        Sinon je sais pas ou ça déconne dans l’échange d’infos mais je persiste : le sinus c’est le coté opposé sur l’hypoténuse, le coté adjacent sur l’hypoténuse c’est le cosinus.

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