Pourquoi l’opale, une pierre, brille-t-elle de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel ?
– Un jeu de lumière né d’un empilement de sphères invisibles
Avez-vous déjà vu une opale, à la bague de votre grand-mère ou dans la vitrine d’un bijoutier ? Le diamant et le rubis étincellent, mais leur couleur ne change pas. L’opale, elle, change : il suffit d’incliner la bague pour la voir passer du bleu au vert, puis à l’orange, comme si un arc-en-ciel était enfermé dans la pierre.
Dans la vitrine d’un bijoutier, inclinez doucement une bague en opale. Un endroit qui paraissait bleu-vert tout à l’heure devient orange, voire rouge, dès que l’angle change. C’est pourtant une seule et même pierre : sa couleur semble se transformer selon l’angle de vue.
Ce qui est étrange, c’est que l’opale ne contient aucun pigment d’une couleur précise. Sans pigment, la couleur change pourtant sans cesse. Comment est-ce possible ?
Cet éclat arc-en-ciel n’apparaît que si deux conditions sont réunies
À l’intérieur d’une opale qui irise, on pense que de minuscules sphères de verre, de quelques centaines de nanomètres de diamètre et invisibles à l’œil nu, sont empilées avec régularité.
Quand la lumière touche ces couches régulières de sphères, les rayons réfléchis par chaque couche se superposent. Seule la couleur qui correspond exactement à l’espacement des sphères se renforce ; les autres s’annulent et disparaissent.
C’est quand ces deux conditions sont réunies que naît ce phénomène : voir de la couleur sans pigment. Voyons-les l’une après l’autre.
Raison 1 : des « sphères de verre » invisibles dans la pierre
La silice (dioxyde de silicium) qui forme l’opale n’est pas cristalline. On la décrit comme une matière amorphe, comme le verre. « Amorphe » veut dire que les atomes ne sont pas rangés avec régularité, contrairement à ceux d’un cristal.
Or, dans l’opale, ce verre amorphe prend la forme de petites sphères. Leur diamètre, à peu près uniforme, serait d’environ 150 à 400 nanomètres (un nanomètre est un milliardième de mètre). Ces sphères sont empilées régulièrement, sans vide entre elles. On pense qu’au fil de très longues années, une eau chargée de silice dissoute a été apportée peu à peu et a fait grossir des sphères de taille homogène.
Une opale dont les sphères sont ainsi rangées avec régularité s’appelle une opale précieuse (une opale à jeu de couleurs). Il existe aussi des opales dont les sphères varient en taille et en arrangement : on les appelle opales communes, et elles n’irisent pas.
Raison 2 : l’« interférence » de la lumière dans cet empilement
Quand la lumière frappe ces couches régulières de sphères, les rayons réfléchis par chaque couche se superposent. Seules les couleurs dont les crêtes coïncident avec les crêtes, et les creux avec les creux, se renforcent (c’est ce qu’on appelle l’interférence). Les autres sont décalées et s’annulent. La couleur renforcée dépend de l’espacement des sphères et de l’angle sous lequel la lumière arrive.
Si l’on change l’angle de vue, la couleur qui remplit la condition de renforcement change elle aussi. C’est pourquoi l’opale change de couleur quand on l’incline. Dans le monde des gemmes, on appelle ce phénomène le jeu de couleurs (ou opalescence irisée).
Ce principe, où « un espacement régulier crée la couleur », existe aussi chez les êtres vivants. L’article sur le changement de couleur du caméléon décrit comment il modifie l’espacement de cristaux dans sa peau pour régler la couleur de la lumière réfléchie.
Dans l’opale commune, on pense que les sphères varient en taille et en arrangement. Si l’espacement diffère d’une sphère à l’autre, la couleur réfléchie diffère aussi, et aucune couleur précise ne peut se renforcer d’un seul bloc. Les couleurs s’annulent alors, et la pierre paraît d’un blanc laiteux ou opaque, sans jeu de couleurs.
On retrouve le même mécanisme ailleurs
- Les ailes du papillon morpho – Elles n’ont pas de pigment bleu. On pense que la structure microscopique de leurs écailles renforce la lumière bleue, ce qui donne ce bleu éclatant.
- Les plumes de paon – On pense que de minuscules structures dans les barbes renforcent la lumière et que la couleur change avec l’angle de vue, un phénomène proche du jeu de couleurs.
- La face inférieure d’un CD ou d’un DVD – D’innombrables sillons très fins gravés en surface séparent la lumière selon sa longueur d’onde en la réfléchissant, d’où les reflets arc-en-ciel.
- Les bulles de savon – Les rayons réfléchis sur les faces avant et arrière d’une fine pellicule interfèrent et créent la couleur, comme l’explique cet article. L’interférence n’y fonctionne pas tout à fait de la même façon, mais, comme pour l’opale, on voit de la couleur sans pigment.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Prenez un vieux CD ou DVD et exposez sa face gravée (celle qui paraît argentée) à la lumière d’un néon ou du soleil.
- En changeant l’angle, vous voyez des bandes de couleur arc-en-ciel se déplacer avec l’angle.
Sur la face d’un CD, des sillons invisibles à l’œil nu sont gravés en spirale régulière. On pense que leur arrangement fait changer la direction de réflexion de la lumière selon sa longueur d’onde. Le mécanisme détaillé diffère de celui des sphères de l’opale, mais « une structure fine et régulière crée la couleur sans pigment » : c’est le point commun.
En résumé
Si l’opale brille de toutes les couleurs, c’est parce que ① des sphères de verre invisibles sont rangées avec régularité, et ② la lumière qui frappe cet arrangement renforce seulement certaines couleurs avant de revenir : ces deux conditions sont réunies.
La couleur de l’opale n’est pas celle de la pierre elle-même.
C’est la lumière, et un arrangement trop petit pour être vu, qui la fabriquent à chaque fois, sous les yeux de l’observateur.
Pour aller plus loin – vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu’on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu’on apprend en « physique de base » au lycée
- Lycée+La « physique » de lycée, ou des contenus d’approfondissement ou d’encadré des manuels
- Univ.Matières spécialisées de l’université (cristallographie, physique de la matière condensée), hors programme du lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis même à l’université
CollègeVocabulaire : les mots autour de l’opale
- Interférence : quand plusieurs ondes se superposent, elles se renforcent ou s’affaiblissent.
- Amorphe : état où les atomes ne sont pas rangés avec régularité, contrairement à un cristal. On pense que c’est le même état que le verre.
- Jeu de couleurs : nom du phénomène propre à l’opale, où la couleur change selon l’angle de vue.
- Silice : le dioxyde de silicium (SiO₂). C’est le principal constituant de l’opale et du verre.
- Opale précieuse et opale commune : l’opale qui a un jeu de couleurs et celle qui n’en a pas.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : comment la taille des sphères change la couleur
On lit que « l’espacement des sphères fixe la couleur », mais on ne sait pas de quel ordre de grandeur sont les écarts. Ici, un calcul donne des chiffres nets.
longueur d’onde renforcée ≒ 2 × espacement des sphères × indice de réfraction du milieu
| Longueur d’onde renforcée | Grandeur qui fixe la couleur vue [nm] |
| Espacement des sphères | Diamètre approximatif des sphères de silice [nm] |
| Indice de réfraction du milieu | Environ 1,4 pour l’opale |
C’est une formule approchée, valable quand on regarde de face. En réalité, l’angle de vue joue aussi, mais cette formule suffit à saisir que plus les sphères sont grosses, plus la longueur d’onde renforcée est grande.
| Espacement grand | 2 × 250 × 1,4 ＝ 700 [nm] |
| Espacement petit | 2 × 180 × 1,4 ＝ 504 [nm] |
La lumière visible s’étend d’environ 400 (violet) à 700 (rouge) nanomètres. 700 nm est proche de l’extrémité rouge, et 504 nm correspond au vert. Quelques dizaines de nanomètres d’écart entre les sphères suffisent à faire passer la couleur vue du rouge au vert.
250 nanomètres, c’est environ 300 fois moins que l’épaisseur d’un cheveu (environ 0,08 millimètre). Une petite différence de taille entre des sphères invisibles à l’œil nu suffit à décider de la couleur de toute la gemme.
Lycée+Univ.Pourquoi la couleur change avec l’angle (plus précisément)
La formule précédente était une approximation pour une vue de face. En réalité, l’angle de vue θ intervient aussi. Plus précisément, on utilise la relation mλ = 2d√(n² − sin²θ) (la condition de diffraction de Bragg appliquée à l’empilement de sphères). Ici, m est l’ordre du renforcement par interférence (en général 1), et n est l’indice de réfraction effectif, qui tient compte aussi de la matière qui remplit l’espace autour des sphères. Quand l’angle θ change, la valeur du membre de droite change, et la longueur d’onde renforcée λ change avec elle. C’est le secret du jeu de couleurs : la couleur change quand on incline la pierre.
Des observations au microscope électronique indiquent que cet empilement régulier est proche d’un réseau cubique à faces centrées. Un matériau dont la structure est périodique à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière, et qui réfléchit ou transmet fortement certaines longueurs d’onde seulement, s’appelle un cristal photonique. L’opale en est considérée comme l’exemple naturel le plus représentatif.
RechercheCe qu’on ne comprend pas encore bien
- On pense que le processus par lequel des sphères de silice aussi uniformes s’empilent avec régularité dans la nature n’est pas entièrement élucidé. Comment la silice dissoute dans l’eau grandit en sphères homogènes et s’aligne, sur des dizaines de milliers d’années ou plus : cela reste un sujet de recherche en minéralogie.
- Les opales synthétiques peuvent reproduire un jeu de couleurs proche de celui des opales naturelles, mais on pense qu’il reste difficile d’obtenir de façon stable une uniformité de structure et une durabilité égales à celles des opales naturelles.
- L’opale naturelle contient de l’eau, et l’on sait qu’en séchant elle peut se fissurer (on parle de « craquelage »). Mais on considère que les conditions exactes, c’est-à-dire la variation d’humidité à partir de laquelle les fissures apparaissent, n’ont pas encore été suffisamment quantifiées.
- Ces structures fines et régulières comme celles de l’opale inspirent des recherches sur des matériaux colorés sans pigment et sur des capteurs, mais la fabrication industrielle de structures aussi uniformes que celles de l’opale naturelle fait encore l’objet de recherches.
Même les belles couleurs d’une vitrine de bijoutier restent, dans le détail de leur formation, un objet de recherche. Ce qui est familier n’est pas forcément ce qui est compris.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière (réflexion, réfraction) | Arrangement des sphères, différence entre opale précieuse et opale commune |
| Lycée | Physique de base : propriétés des ondes | Idée de base de l’interférence, calcul longueur d’onde et couleur |
| Lycée+ | Physique : interférence et diffraction des ondes (approfondissement) | Changement de couleur selon l’angle, condition de diffraction de Bragg |
| Univ. | Physique de la matière condensée, cristallographie (cristaux photoniques) | Réseau cubique à faces centrées, cristal photonique |
| Recherche | Minéralogie, science des matériaux (non résolu) | Auto-organisation des sphères de silice, limites des opales synthétiques, mécanisme du craquelage |
| – | Exemples du quotidien | Comparaison avec CD/DVD, papillon morpho, bulles de savon |
- Sanders, J.V. (1964), Colour of Precious Opal, Nature 204, 1151–1153 (élucidation de la structure de l’opale au microscope électronique).
- Jones, J.B., Sanders, J.V. & Segnit, E.R. (1964), Structure of Opal, Nature 204, 990–991.
- Documents explicatifs sur la structure de l’opale et le jeu de couleurs, publiés notamment par le Gemological Institute of America (GIA).
- Exposés généraux sur l’interférence, la diffraction et la condition de Bragg dans les manuels d’optique.
- Documents de synthèse de science des matériaux sur les cristaux photoniques (opales artificielles, recherches appliquées sur la couleur structurelle).
* Les valeurs comme le diamètre des sphères ou l’indice de réfraction varient selon les échantillons et les sources. Cet article donne des repères couramment utilisés.
* Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs relatives à la structure et à l’optique de l’opale varient selon les sources ; elles sont données comme repères pour comprendre le mécanisme.