Un nouveau type de verre s’éclaire lors d’un choc

Les chercheurs du département Mécanique et Verres de l’Institut de physique de Rennes sont parvenus à synthétiser un matériau transparent, constitué d'un verre auquel de fines particules céramiques ont été incorporées, le rendant à la fois phosphorescent et mécanoluminescent.

Un nouveau type de verre s’éclaire lors d’un choc
  1. Un peu de physique
  2. Photoluminescence et phosphorescence
  3. Mécanoluminescence
  4. Analogie : une "éponge photonique"
  5. Références et financement

Le matériau obtenu, après avoir été éclairé avec une lampe à ultraviolets, restitue une lumière verte pendant plusieurs minutes : il phosphoresce. Au-delà de cette période, une sollicitation mécanique engendre à nouveau une émission lumineuse. Par exemple, la chute d’une bille sur le matériau fera apparaître à sa surface une tache de lumière verte : il devient ainsi possible de visualiser directement la répartition des effets de l’impact sur le matériau.

Un peu de physique

Le verre est transparent ; c'est à dire que la lumière le traverse en interagissant que faiblement avec les électrons. La situation est évidemment très différente pour un métal. Dans ce cas, les électrons, très mobiles et nappant les atomes, font obstacle au passage de la lumière ; la surface est alors réfléchissante.

La lumière est composée d'ondes électromagnétiques (à une « couleur » correspond une fréquence d'onde) et, dans certaines conditions (énergétiques en particulier), cette lumière peut induire des transitions électroniques d'un état "stable" vers un état "excité".

Photoluminescence et phosphorescence

Une telle transition se produit dès lors que le spectre de la lumière reçue par un matériau donné contient des ondes suffisamment énergétiques pour engendrer ces transitions vers des états de plus grande énergie. Ce phénomène est observé sur le composé SrAl2O4:Eu:Dy (abréviation : SAOED, synthétisé par des chercheurs français et japonais), sous illumination par une lampe émettant dans l’ultraviolet (UV). L'excitation électronique induite est réversible. Le retour au niveau électronique plus stable se traduit par l'émission de lumière. On parle de photoluminescence.

Parfois, le matériau continue d'émettre de la lumière bien après que l'éclairage UV a été interrompu, en raison de l'existence de niveaux énergétiques intermédiaires. On parle alors de phosphorescence.

Mécanoluminescence

Dans certains composés, les électrons excités peuvent se retrouver piégés à des niveaux d'énergie sensiblement plus faibles, à la manière d'une balle atterrissant sur un toit, et s'immobilisant au creux de la gouttière, c’est-à-dire plus bas que la hauteur atteinte lors du premier rebond. Pour les électrons, ce scénario s'accompagne d'un dépiégeage progressif résultant de l'activation thermique.

Cependant, l'ajout d'une sollicitation mécanique est susceptible de faciliter le dépiégeage et donc l'émission de lumière au-delà de la période d'illumination par les UV. On parle alors de mécanoluminescence. Le verre auquel on a incorporé du SAOED réagit à une sollicitation mécanique (plus particulièrement en cisaillement) en émettant une lumière verte permettant de visualiser la distribution spatiale de la contrainte.

Mécanoluminescence

Analogie : une "éponge photonique"

Ce comportement s'apparente à celui d'une éponge (le matériau) qu’on imbiberait d’eau (illumination par ultraviolets). Elle se déshydraterait lentement avec le temps (phosphorescence), mais exsuderait le liquide d'autant plus rapidement qu'elle serait pressée mécaniquement (mécanoluminescence).

Références et financement

Articles scientifiques

Sur le composé mécanoluminescent :

M. Dubernet, Y. Gueguen, P. Houizot, F. Célarié, J.C. Sangleboeuf, H. Orain, and T. Rouxel, "Evidence and modelling of mechanoluminescence in a transparent glass particulate composite", Appl. Phys. Lett., 107, 151906 (2015).

Sur le SAOED :

F. Clabau, X. Rocquefelte, S. Jobic, P. Deniard, M.H. Whangbo, A. Garcia, and T. Le Mercier, "Mechanism of phosphorescence appropriate for the lon-lasting phosphors Eu2+-doped SrAl2O4 with codopants Dy3+ and B3+", Chem. Mater., 17, 3904-3912 (2005).

Les travaux de Tanguy Rouxel et de ses collaborateurs sont soutenus par le Conseil européen de la recherche (Projet Damage resistant glasses - ERC Advanced Grant 320506).