Bleu magique : des chercheurs développent des colorants qui brillent à travers le crâne

Les Égyptiens ont inventé la couleur bleue. D'anciennes perles de verre bleues en témoignent. Elles ont été découvertes dans une tombe datant d'environ 3300 à 3500 av. J.-C. Plus tard, le pigment a également été retrouvé dans des hiéroglyphes : ceux-ci ont été gravés dans la pyramide d'Ounas à Saqqarah, par exemple, et imprégnés de ce pigment. Les pharaons avaient apparemment une demande insatiable pour ce qu'on appelait le « bleu égyptien ». Selon les estimations, il leur en fallait environ 1,4 tonne pour décorer un seul temple.

Les Romains de l'Antiquité appelaient ce pigment « caeruleum », ce qui signifie « couleur du ciel » en latin. La plus ancienne recette connue pour sa fabrication provient d'un architecte nommé Vitruve. Il la consigne environ 30 ans avant notre ère : « Le sable et le sel sont moulus si finement qu'ils forment un produit farineux. On frotte le mélange avec du cuivre à l'aide de limes grossières, comme de la sciure. »

Ensuite, les boules devaient être façonnées à la main et placées dans des vases en terre cuite, dans un four chaud. « Dès que le cuivre et le sable […] s'unissent sous l'intensité du feu, ils absorbent mutuellement leur transpiration », poursuit Vitruve. « Ainsi, ils perdent leurs propriétés antérieures et acquièrent une couleur bleue. »

Sans cet effort colossal, le bleu était impossible à obtenir. Ce pigment couleur ciel donnait aux fresques et aux mosaïques des teintes bleues éclatantes, que l'on recherchait en vain dans les peintures du début de l'âge de pierre sur les parois des grottes de Lascaux ou d'Altamira. À l'époque, on devait se contenter des ressources disponibles : l'ocre et le fusain. Les colorants bleus n'en faisaient pas partie, car ils sont rares.

En effet, le pigment doit réfléchir la lumière bleue et absorber simultanément la lumière rouge. Or, les rayons rouges sont ceux dont la longueur d'onde est la plus grande du spectre visible, et donc ceux dont l'énergie est la plus faible. « L'absorption de ces rayons nécessite des molécules présentant des transitions électroniques spécifiques », explique Robert Nissler de l'ETH Zurich. Dans le bleu égyptien et d'autres pigments minéraux bleus ou violets, ce sont les ions cuivre qui assurent cette fonction. « Ils constituent les centres lumineux du réseau cristallin », précise M. Nissler.

Le nanoscientifique, en collaboration avec des collègues de l'Université de Zurich, de l'Empa et d'Allemagne, a mis au point un procédé de fabrication sophistiqué pour créer des pigments de couleur fondamentalement nouveaux. Ce nouveau bleu pourrait jouer un rôle important dans la recherche sur les accidents vasculaires cérébraux (AVC) et dans le suivi de la durabilité des prothèses articulaires. Les chercheurs rapportent leur étude. dans le magazine spécialisé « Advanced Materials » .

Cependant, c'était Ils ne s'intéressent guère à la couleur bleue. Leur intérêt se porte sur un autre aspect, observé pour la première fois par les archéologues il y a près de 30 ans : le bleu égyptien non seulement absorbe la lumière rouge, mais retransmet également une part importante de l'énergie captée dans l'infrarouge invisible. Le « bleu Han », chimiquement très proche, de la Chine antique, possède également cette propriété. Cela signifie que ces colorants anciens brillent.

Cela les rend faciles à détecter avec des instruments qui rendent visibles les rayons infrarouges, sans endommager les précieuses découvertes anciennes. Dans leur article, les chercheurs les décrivent comme des molécules « optiquement actives ». « C'est le rayonnement infrarouge qui rend ces colorants si particuliers et uniques », explique Nissler.

À l'interface entre la lumière et la matière, les plus infimes variations de l'environnement des ions cuivre affectent la teinte bleue et la lueur infrarouge. Par exemple, le bleu égyptien, légèrement plus clair, contient des ions calcium supplémentaires, tandis que le bleu Han, légèrement plus violet, contient des ions baryum légèrement plus gros, ce qui déforme légèrement le réseau cristallin.

Pour produire les nouveaux pigments de couleur, les experts ont utilisé Un procédé qui n'existe que depuis vingt ans. Bien que très moderne, la méthode ressemble à un véritable jeu alchimique de couleurs : dans la synthèse dite de flamme, des jus verts sont transformés en poudre bleue ou violette.

Dans un premier temps, les chercheurs dissolvent des métaux alcalino-terreux tels que le calcium, le baryum ou le strontium dans des solvants organiques. Ils injectent ensuite ces liquides verts dans une flamme chauffée à plusieurs milliers de degrés. Sous cette chaleur, les solvants s'évaporent instantanément.

Il ne reste que les métaux alcalino-terreux, qui s'agglutinent sur le filtre au-dessus de la flamme pour former de minuscules grains bleu-vert. Ces agrégats, d'environ 30 nanomètres, sont ensuite placés dans un four chauffé à environ 1 000 °C pendant dix minutes, où les minéraux finissent par se former et où les pigments cristallins, bleus ou violets, émergent.

Contrairement aux procédés de production conventionnels, la synthèse par flamme permet de combiner de manière quasi arbitraire les différents métaux alcalino-terreux du pigment, explique Nissler. Les chercheurs ont ainsi produit des dizaines de nouveaux colorants. Sa teinte préférée – un « bleu foncé particulièrement intense » – est obtenue en combinant à parts égales du baryum et du strontium, précise le nanoscientifique.

Au cours de leurs recherches, les experts ont perfectionné le procédé de fabrication et découvert, par exemple, que la température et le temps de séjour au four déterminent la couleur des cristaux de pigments obtenus. Les fréquences de brillance des pigments dans l'infrarouge dépendent également de ces paramètres.

Plus la longueur d'onde de la lumière infrarouge est brillante et longue, mieux c'est. En effet, à partir d'une longueur d'onde d'environ 1 000 nanomètres, une fenêtre de transparence s'ouvre : le rayonnement de cette longueur d'onde pénètre dans les tissus biologiques sans être absorbé par l'hémoglobine rouge ou l'eau. Il peut ainsi être intercepté à l'autre extrémité du corps et utilisé pour l'imagerie.

En fait, les experts Ils ont découvert un mélange de ces trois métaux permettant de produire des pigments « ultra-brillants » qui brillent exactement à la longueur d'onde souhaitée. « Grâce à cette nouvelle méthode, nous avons produit un matériau dix fois plus brillant que les pigments actuellement disponibles », explique Nissler.

Les chercheurs sont convaincus que ce nouveau matériau pourrait être utilisé comme agent de contraste. Ils ont dissous les pigments dans de l'eau et les ont injectés dans le sang de souris. Le colorant a traversé le crâne intact des souris. Grâce à des caméras infrarouges, les chercheurs ont pu observer non seulement le trajet exact des vaisseaux sanguins dans le cerveau, mais aussi la vitesse à laquelle le sang circule dans ces vaisseaux.

Ces informations sont importantes pour la recherche sur les accidents vasculaires cérébraux (AVC), explique Nissler. Elles pourraient fournir des informations sur la rapidité avec laquelle le flux sanguin revient à la normale après la dissolution d'un caillot, éliminant ainsi le bouchon bloquant. Nissler envisage également une autre application possible. Les particules pourraient, par exemple, être ajoutées aux prothèses de hanche ou de genou en céramique. Si de petites particules se détachent de la prothèse en raison de l'usure, les chirurgiens pourraient facilement les détecter et les retirer grâce à des caméras infrarouges.

Ces options sont encore loin d'être envisageables. Pour l'instant, les experts, dont un groupe de l'Empa travaille sur la nanotoxicité, souhaitent tester la toxicité des pigments bleu vif. Il faudra probablement un certain temps avant que le développement du bleu égyptien puisse aider les personnes en difficulté de santé. Mais après plus de 5 000 ans, cette attente n'est plus particulièrement importante.

Un article de la « NZZ am Sonntag »