Des scientifiques révèlent les secrets chimiques de l'effet iridescent nanométrique des céramiques islamiques du IXe siècle

Une équipe scientifique dirigée par l'Université polytechnique de Catalogne (UPC) de Barcelone et le Laboratoire européen de rayonnement synchrotron (ESRF) a réussi à élucider les réactions chimiques à l'échelle nanométrique qui créent l'effet iridescent scintillant unique dans la peinture céramique islamique du IXe siècle. Les résultats de ces recherches ont été publiés dans la revue académique Science Advances.

Bien avant l'avènement de la nanotechnologie moderne, plusieurs siècles auparavant, les potiers de la dynastie abbasside du IXe siècle savaient déjà fabriquer des céramiques aux couleurs vives telles que l'or, le rouge, le brun ou le jaune, avec un éclat métallique. Cette technique créant l'effet iridescent est apparue au Proche-Orient à l'époque abbasside, puis s'est répandue dans tout le monde islamique. Trinitat Pradell, professeure à l'UPC et co-auteure correspondante de l'article, explique que même aujourd'hui, il est encore très difficile de reproduire parfaitement cet effet unique du IXe siècle, c'est pourquoi l'équipe souhaitait comprendre quelles transformations chimiques avait subies la peinture appliquée à la surface de la céramique.

Pour obtenir cet effet iridescent, les artisans anciens commençaient par dessiner à la surface de la céramique déjà émaillée un mélange contenant des composés métalliques tels que l'argent et le cuivre. Lors de la cuisson ultérieure, ces éléments métalliques diffusaient depuis la peinture vers la glaçure vitreuse et subissaient des transformations chimiques, notamment des réactions de réduction, formant finalement des nanoparticules d'argent et de cuivre métalliques à la surface de la glaçure. Ces particules ne se déposent pas simplement à la surface de la céramique, mais sont profondément intégrées dans la couche de glaçure, constituant des zones nanostructurées dont la composition chimique et la morphologie microscopique déterminent conjointement le mode d'interaction de la surface avec la lumière.

Les réactions chimiques lors de la cuisson sont cruciales. La couleur et l'éclat finaux de la céramique ne dépendent pas simplement de la présence d'argent ou de cuivre dans la peinture, mais des interactions complexes entre ces éléments et les autres composants de la glaçure. En particulier, les teneurs relatives en cuivre et en argent influencent directement les réactions chimiques se produisant pendant la cuisson, déterminant ainsi la formation et les caractéristiques dimensionnelles des nanoparticules métalliques.

L'équipe de l'UPC, en collaboration avec Marine Cotte de l'ESRF et ses collègues, a utilisé la ligne ID21 de l'ESRF ainsi que les techniques de spectroscopie des rayons X, de fluorescence des rayons X et de diffraction des rayons X du synchrotron ALBA pour analyser en profondeur ces matériaux anciens. Les chercheurs soulignent que le faisceau de précision micrométrique et l'étude ciblée des éléments fer, cuivre et argent ont été essentiels pour révéler les mécanismes chimiques de la couche lustrée.

L'étude révèle que ce lustre métallique est obtenu par un mécanisme d'échange ionique lors de la cuisson. Pendant ce processus, les ions cuivre et argent diffusent depuis la peinture dans la couche de glaçure et remplacent les ions alcalins. Pour mener à bien ce processus, la température de cuisson doit être précisément contrôlée entre la température de transition vitreuse et la température de ramollissement de la glaçure, afin de favoriser la diffusion ionique tout en empêchant la peinture externe d'adhérer à la surface de la glaçure.

Les résultats montrent également que les différences de composition et de microstructure entre les différentes couleurs de lustre proviennent principalement du rapport relatif cuivre/argent dans la peinture. La concentration des espèces d'argent et de cuivre et des nanoparticules près de la surface de la glaçure est non seulement contrôlée par le rapport cuivre/argent de la peinture elle-même, mais aussi régulée par les réactions mutuelles entre les deux, qui déterminent conjointement le type, la quantité, la distribution et la taille des nanoparticules.

Concernant les perspectives de recherche future, Marine Cotte, scientifique à l'ESRF et co-auteure correspondante de l'article, indique que cette étude a été réalisée par l'analyse de minuscules fragments de céramiques historiques ; la prochaine étape consistera à fabriquer et analyser des échantillons simulés afin de distinguer les effets spécifiques de chaque paramètre de production, tout en explorant le rôle d'autres métaux tels que le fer et l'étain dans cet ancien procédé.