Un matériau X-chrome est un matériau qui sous l'influence d'une excitation extérieure (température, pression, flux lumineux, insertion électrochimique, …) subit un changement de couleur. Cette transition peut présenter un caractère réversible ou irréversible. Dans le premier cas, le matériau recouvre sa couleur initiale de façon instantanée alors que dans le second cas la variété induite est figée dans un état métastable avec possibilité d'un retour à l'état initial qu'après application d'une nouvelle stimulation.

A Nantes, nous nous intéressons actuellement au thermochromisme et au photochromisme de solides inorganiques ou hybrides organique-inorganique. Ces propriétés trouvent leur origine dans la redistribution du nuage électronique sous l'effet de la température ou d'une excitation lumineuse (visible ou UV) conduisant à un nouvel état de la matière, qui lorsqu'elle est observée à la lumière visible présente de nouvelles couleurs eu égard à une modification des transitions optiques mises en jeu. Rappelons par ailleurs que thermochromisme et tribochromisme (ou piézochromisme) vont souvent de paire: sous l'effet de la température, un matériau se dilate alors que sous l'effet d'une contrainte le matériau se contracte induisant des changements inverses des distances interatomiques.

Par essence, tout matériau pigmentaire est thermochrome. La couleur d'un matériau est associée (sauf pour quelques exceptions telle que l'eau par exemple) à la promotion d'un électron d'un état fondamental vers un état excité. L'énergie relative de ces niveaux est extrêmement sensible au positionnement des atomes (ou des ions) les uns par rapport aux autres. Sous l'effet d'un accroissement de température, les distances inter-atomiques s'allongent induisant des recouvrements orbitalaires moindres et des changements de couleur. Ainsi, le semi-conducteur BiVO₄, matériau à transfert de charge et jaune à température ambiante, présente un aspect rouge à 300°C. Le gap optique varie continûment de 2.5eV à 2eV quand la température s'élève, de telle sorte que toutes les couleurs intermédiaires du jaune au rouge sont observées en fonction de la température (rouge, rouge orangé, orange, jaune orangé, jaune). Au contraire, le matériau Al_2-xCr_xO₃ de structure corindon présente lui des changements de couleurs plus radicaux à des températures précises dépendant de la teneur en chrome. Ainsi, le passage d'un matériau rouge à un matériau vert prend effet à –183°C, 187°C et 377°C pour des "dopages" en chrome respectivement de 58%, 8% et 2% respectivement. Les mécanismes de coloration sont similaires à ceux rencontrés pour le rubis: le Cr³⁺ (configuration électronique 3d³) en site octaédrique donne lieu à deux absorptions intra-sites ⁴A_2g → ⁴T_1g et ⁴A_2g → ⁴T_1g dont le positionnement dépend du champ cristallin et donc des distances Cr-O.

Les études menées à Nantes dans le cadre d'un contrat industriel s'effectuent en collaboration avec l'Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (A. Demourgues, M. Gaudon). Ces travaux ont trait à la synthèse et la caractérisation de matériaux à transition de phase avec un brutal changement de couleur à la transition. Dans ce contexte, nous avons préparé un matériau qui, sorti du four, présente une couleur verte mais devient rouge-brun par broyage ou par simple pression du doigt (Figure 1). Un recuit à des températures supérieures à 100°C permet un retour du matériau à sa couleur initiale verte. Ce matériau présente donc à la fois des propriétés thermochromes et tribochromes et a donné lieu à brevet. En jouant sur la composition chimique, il nous est possible d'influer sur la couleur du matériau, les températures et les pressions de transition.

Figure 1: Passage de rouge au vert par simple chauffage et du vert au rouge par simple pression du doigt d'un matériau synthétisé au laboratoire et récemment breveté