Contrairement aux couleurs dites "chimiques" (comme celles des pigments) dont l’apparence est stable, les couleurs "physiques" varient selon l’angle d’observation et la lumière. L’iridescence révèle donc des couleurs "physiques" qui apparaissent selon la façon dont la lumière interagit avec un objet et sa matière.

Deux grands types de phénomènes expliquent ces changements de couleurs selon l’angle d’observation.

Le premier, l’interférence par film mince, se produit lorsque la lumière traverse une couche de matière transparente, comme pour les bulles de savon aux reflets colorés : la couleur de lumière reflétée dépend alors de l’épaisseur de la bulle. Dans la nature, de telles couches minces sont souvent superposées, c’est le cas chez certains minéraux mais aussi de nombreux animaux ! Lorsque la lumière rencontre ces couches superposées, elle est réfléchie plusieurs fois. Les ondes lumineuses reflétées s’additionnent ou s’annulent selon leur longueur (ce qu’on appelle des interférences positives et négatives) créant des teintes qui changent en fonction de l’angle de vue.

Le deuxième, appelé "diffraction de réseau", se produit quand la surface d'un objet est constituée d'arrangements microscopiques ordonnés dans l’espace qui se répètent de façon régulière. C’est le cas par exemple dans certaines structures cristallines minérales ou encore dans la disposition des stries qui couvrent les écailles de certains papillons : la lumière est diffractée sur chacune de ces structures, et la répétition multiple de cet effet provoque des changements de couleur pour l’observateur. 

Une question de couches

Pour beaucoup de minéraux, les irisations naissent d’interférences lumineuses. La lumière se réfléchit sur de très fines couches "empilées", bien souvent des films d’oxydation, qui recouvrent la surface du minéral. C’est le cas, par exemple, de la chalcopyrite ou encore de certaines agates dites "agates de feu". La turgite, une variété de goethite, est particulièrement spectaculaire : elle montre des reflets intenses, aux dominantes vertes, roses et violettes.

D’autres matériaux, comme la nacre, doivent leur iridescence à l’empilement de minces couches d’aragonite. Leur superposition crée des interférences qui renvoient des couleurs changeantes selon l’angle d’observation. 

Une lumière sculptée par des inclusions

Enfin, certaines irisations proviennent de fines inclusions ou de nano-structures internes. Elles diffractent la lumière et créent des reflets multicolores. C’est le cas de la labradorite dont les irisations donnent naissance aux reflets bleus, verts ou dorés typiques de ce minéral.

L’opale irisée (contrairement aux opales communes) doit quant à elle ses couleurs à une structure interne très régulière. Elle est formée de minuscules sphères de silice hydratée, toutes de taille comparable (environ 0,3 µm). Cette organisation ordonnée diffracte la lumière et produit les célèbres éclats multicolores.