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Les couleurs du papillon morpho : quoi de nano ?

gros plan aile de papillon

Alors que la plupart des couleurs que nous observons dans notre quotidien sont d’origine chimique car dues à la présence de pigments (voir question associée) la couleur du papillon morpho est de nature différente.
En observant ce papillon, on se rend compte que les couleurs sont intenses, vives et ont surtout un comportement très particulier vis à vis de la lumière : elles changent selon l’angle sous lequel on observe le papillon.
Pour comprendre, il va falloir aller voir d’un peu plus près à quoi ressemble la surface de l’aile.
Commençons par observer avec un microscope optique. On note la présence d’écailles à la surface du papillon. Le papillon appartient à la famille des lépidoptères, dont l’étymologie vient des mots « lepis » et « pteron » qui signifient respectivement en grec écailles et aile.
Une écaille mesure approximativement 120microns par 50 microns mais on ne note pas de différence majeure entre une écaille de papillon morpho et celle d’un papillon ordinaire.
Pour aller plus loin, nous devons utiliser un microscope plus puissant : le microscope électronique à balayage (voir fiche dessus).
On remarque qu’une aile de papillon présente 2 types d’écailles. Des écailles de recouvrement qui sont transparentes et des écailles de fond, qui sont celles qui nous intéressent particulièrement ici.
On observe que ces écailles sont constituées de structures qui se répètent, sont parallèles entre elles et régulièrement espacées : ce sont les stries. Elles sont de petites tailles car elles ne font que quelques centaines de nanomètre de large. On dit que cette structure est périodique car le même motif se répète dans l’espace. On pourrait dire que cela ressemble à un nano-peigne qui plutôt que de démêler les cheveux, va démêler la lumière. Lorsque la lumière rencontre ce type de structure le phénomène qui intervient est la diffraction. C’est ce même phénomène qui est responsable de la décomposition de la lumière et des couleurs à la surface d’un CD ou d’un DVD. Ce phénomène intervient parce que la lumière est une onde et qu’elle rencontre des structures de petites tailles. En simplifiant, on peut considérer qu’il a pour effet de décomposer, d’étaler la lumière. Cet étalement va notamment dépendre de la taille des motifs rencontrés par la lumière et dans le cas du papillon morpho bleu, il va étaler les couleurs autour du bleu : c’est pourquoi notre papillon change de couleur du bleu clair au violet.

strucure des écailles d'un papillon morpho

Cependant, le papillon morpho est vraiment surprenant et l’origine de sa couleur ne s’arrête pas là.
Si on continue à grossir la structure de son aile, on se rend compte que chaque strie est elle même composée d’une autre structure qui se répète : les lamelles. On en trouve entre 10 et 20 par stries superposées les unes aux autres et donnent une allure de « sapin de noël. ».
Lorsque la lumière rencontre cette structure, bien plus petite que la première, un second phénomène apparaît : les interférences lumineuses. Pour comprendre le phénomène d’interférence, voir ici.
Pour simplifier, on peut considérer que ce phénomène a pour effet de privilégier certaines couleurs et de détruire les autres. Cela va dépendre notamment de la nature des matériaux rencontrés par la lumière, ici l’air et la chitine de l’aile, et de l’épaisseur des différentes couches d’air et de chitine. Pour ce papillon, on dit qu’on a un phénomène d’interférences constructives pour le bleu et destructives pour les autres couleurs et c’est pourquoi mon papillon m’apparaît bleu !
Au final, la matière est donc « gravée » et la couleur dépend principalement de la structure de l’aile. Si on change la structure, c’est à dire la forme, les dimensions ou le matériau, on change la couleur renvoyée par l’objet. C’est une des très nombreuses particularités du Nanomonde : le monde de l’infiniment petit.

Remarque : Notons que c’est une vue un peu simplifiée de l’étude des couleurs du papillon morphos sachant que d’autres effets interviennent tels que le désordre, la présence de pigments, etc. Pour le lecture souhaitant une étude plus poussée du phénomène nous recommandons les ouvrages de Serge Berthier, chercheur à l’INSP et spécialiste du domaine.

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