Structures cristallines de pigments bleus. Crédit :Mas Subramanian, Université d'État de l'Oregon
Un chercheur en chimie de l'Oregon State University qui a marqué l'histoire il y a dix ans avec la découverte accidentelle du premier nouveau pigment inorganique bleu en plus de deux siècles fait à nouveau avancer la science de la couleur.
Analyser la structure cristalline de pigments à base d'hibonite, un minéral trouvé dans les météorites, Mas Subramanian de l'OSU College of Science a ouvert la voie à la conception de plus de pigments stables, durable et non toxique avec des teintes vives.
Résultats de l'étude, soutenu par la National Science Foundation, ont été publiés dans la revue American Chemical Society, ACS Oméga .
Subramanian et son équipe ont découvert le bleu YInMn en 2009 lorsqu'ils expérimentaient de nouveaux matériaux pouvant être utilisés dans des applications électroniques.
"Nous avons eu de la chance la première fois avec le bleu YInMn, et maintenant nous avons mis au point quelques principes de conception, " a déclaré Subramanian.
À travers une grande partie de l'histoire humaine enregistrée, les gens du monde entier ont cherché des composés inorganiques qui pourraient être utilisés pour peindre les choses en bleu, souvent avec un succès limité. La plupart avaient des problèmes d'environnement ou de durabilité.
"La plupart des pigments sont découverts par hasard, " Subramanian a dit. " La raison en est que l'origine de la couleur d'un matériau ne dépend pas seulement de la composition chimique, mais aussi sur l'arrangement complexe des atomes dans la structure cristalline. Donc quelqu'un doit d'abord faire le matériel, puis étudiez minutieusement sa structure cristalline pour en expliquer la couleur."
Avant YInMn bleu, la dernière découverte bleue était le bleu à base d'oxyde d'aluminium cobalt, synthétisé par un chimiste français en 1802. Le bleu de cobalt reste un pigment commercial dominant en raison de son intensité de couleur, facilité de synthèse et large applicabilité.
Sa fabrication, cependant, nécessite une quantité importante d'un ion cobalt, Co 2+ , c'est dangereux pour les humains et l'environnement.
En analysant la structure des pigments bleus à base d'hibonite, Subramanian a développé un moyen d'égaler ou de surpasser l'éclat du bleu de cobalt tout en utilisant beaucoup moins d'ions de cobalt cancérigènes nocifs, ou le remplacer entièrement.
Les pigments à base d'hibonite sont plus stables thermiquement que le bleu de cobalt en raison de leur température de préparation plus élevée et restent inchangés structurellement et optiquement lors de l'exposition à un acide fort et à un alcali.
Les chercheurs rapportent qu'un oxyde contenant du calcium, aluminium, le titane ainsi que le cobalt ou le nickel peuvent cristalliser en une structure similaire à l'hibonite qui permet une série de couleurs bleues.
Par rapport au bleu cobalt traditionnel, le nouveau bleu peut être "réglé" en ajustant la quantité de cobalt (Co 2+ ), nickel (Ni 2+ ) et le titane (Ti 4+ ) sont placés dans les trois environnements "chromophores" possibles de la structure d'hibonite ; ce sont les parties d'une molécule qui déterminent la couleur en réfléchissant certaines longueurs d'onde de la lumière tout en absorbant d'autres.
Cette étude montre que la présence de chromophores dans un « environnement cristallin de forme trigonale bipyramidale » - essentiellement constitué de deux pyramides à base triangulaire jointes base à base - est essentielle pour l'amélioration des couleurs.
"Cette partie de la structure cristalline de l'hibonite, comme le bleu YInMn, permet des couleurs bleu vif avec une teinte rougeâtre, " Subramanian a dit. " Le bleu d'hibonite présente une meilleure économie d'énergie, propriétés de réflexion de la chaleur que le bleu de cobalt traditionnel en raison de la présence de titane et d'une teneur moindre en cobalt.
"Dans la nature, l'hibonite ne se trouve que dans les météorites qui ont été soumises à des milliers de degrés de température lorsqu'elles traversent l'atmosphère terrestre, il est donc logique que la structure soit remarquablement stable, ", a-t-il ajouté. "Ces types de structures minérales sont probablement l'avenir pour la conception de pigments inorganiques durables et sûrs."
La détermination des ingrédients structurels clés requis pour créer des couleurs vives devrait permettre des délais plus courts entre les découvertes de pigments, Subramanian a dit, ajoutant que la science ne suit pas toujours un chemin prescrit.
"La recherche, c'est comme quand on part en voyage pour voir quelque chose, et peut-être que quand vous y êtes arrivé, ce n'était pas aussi intéressant que vous le pensiez, mais ce que vous avez vu en cours de route était plus intéressant que vous n'auriez pu l'imaginer."
