De l’âge de bronze au XXe siècle, la physique des matériaux éclaire le passé

Ruines, forêts, châteaux ou oasis… La liste du patrimoine mondial de l’Unesco affiche 1 248 biens culturels et/ou naturels exceptionnels, parmi lesquels les sociétés actuelles trouvent leurs racines. Pour autant, le patrimoine n’est pas qu’une question de taille :  de nombreux objets bien plus petits recèlent aussi une forte valeur universelle, qu’elle soit culturelle, historique, esthétique, scientifique ou sociologique. Ce sont ces matériaux qu’étudie le laboratoire des sciences du patrimoine IPANEMA, à Gif-sur-Yvette. Fossiles, artéfacts archéologiques, tableaux …, l’Institut apporte un éclairage nouveau sur ces objets par une analyse approfondie de leur composition. Grâce à une approche pluridisciplinaire mêlant techniques de physique des matériaux, chimie, art et histoire, il fournit des réponses à des questions issues des sciences humaines et sociales et participe à la préservation de ce patrimoine exceptionnel.
 

Illuminer la matière pour caractériser le matériau ancien

Au préalable, pour comprendre la particularité des travaux de recherche d’IPANEMA, il s’agit de définir ce qu’est un « matériau ancien ». D’après Mathieu Thoury, le directeur du laboratoire, plutôt que son âge, le terme « ancien » renvoie à l’inscription du matériau dans une époque, proche ou lointaine. De nature très hétérogène, ces objets sont de potentiels révélateurs de tous les processus qui les ont menés jusqu’à aujourd’hui. Dès lors, l’enjeu pour les scientifiques est de décrypter ces marqueurs de transformation pour comprendre « comment le temps se compresse dans la matière ».

Depuis sa construction en 2013 sur le site du synchrotron SOLEIL, le bâtiment IPANEMA héberge des installations pour analyser et traiter les données obtenues sur les matériaux anciens. Le synchrotron est un accélérateur de particules qui produit un rayonnement lumineux couvrant une large gamme de longueurs d’onde (des infrarouges aux rayons X, du millimètre au picomètre), réparties sur plusieurs lignes de lumière. Ces dernières offrent une grande variété de types d’analyses pour les chercheurs, en fonction des besoins de chaque étude.

L’une des méthodes employées repose sur le principe de photoluminescence. La surface du matériau étudié est bombardée par un faisceau de photons. Les électrons constituant la matière passent alors dans un état excité. En revenant à leur état initial, ils émettent chacun un autre photon. La modification du faisceau lumineux, résultat de l’interaction de la matière avec la lumière, sert à caractériser les propriétés des matériaux. Ce principe se décline en de multiples techniques d’analyse, opérant sur une gamme étendue d’énergies et de résolutions spatiales selon l’application recherchée : caractériser la composition élémentaire, l’environnement chimique des atomes, la structure cristalline, etc.
 

Explorer la palette des peintres

Ces techniques sont notamment utilisées pour analyser les composés d’une œuvre picturale. Identifier certains pigments et leur état chimique, en particulier, renseigne sur les méthodes de travail des peintres, la modernité de leur démarche ou bien l’évolution de l’œuvre. Certains pigments changent par exemple de couleur en vieillissant, ce qui signifie que l’aspect actuel du tableau n’est pas tel que le peintre l’a conçu à son époque. C’est le cas du smalt, un pigment bleu très utilisé par les peintres du XVI^e au XVIII^e siècle, notamment par Casper Friedrich dans sa toile Abbaye dans une forêt de chênes. Cette œuvre apparaît aujourd’hui dans une teinte brune, mais la présence de smalt indique que l’artiste l’a peinte en variations de bleu. En associant du machine learning à leurs techniques d’analyse, les scientifiques ont identifié les quantités de smalt dans chaque zone du tableau et en ont déduit la couleur initiale de l’œuvre, qu’ils ont reproduite par simulation. L’impression qui s’en dégage alors n’est plus du tout la même !

Une autre étude récente porte sur l’utilisation de la couleur violette en peinture. Jusqu’au XIX^e siècle, c’est une couleur rare dans les toiles, car difficile et coûteuse à obtenir à partir de matériaux naturels. La révolution industrielle et les progrès en chimie mènent au développement de nouveaux pigments non-organiques, entre autres à base de cobalt, qui enrichissent les palettes des artistes. Les équipes du laboratoire de Photophysique et photochimie supermoléculaires et macromoléculaires (PPSM - Univ. Paris-Saclay/CNRS/ENS Paris-Saclay), d’IPANEMA et de Chimie ParisTech ont ainsi étudié les pigments violets utilisés par Robert Delaunay dans son Autoportrait de 1906 et dans le tableau Paysage au disque, exposés au Centre Pompidou à Paris. Leurs analyses ont révélé la présence de trois pigments violets, aux teintes différentes : le phosphate de cobalt (II), de formule chimique Co₃(PO₄)₂, le phosphate de cobalt octohydraté ou Co₃(PO₄)₂.8H₂O, et l’arséniate de cobalt et de magnésium, CoMg₂(AsO₄)₂. Ce dernier composé est d’ailleurs connu pour avoir été utilisé par d’autres artistes contemporains de Delaunay, notamment Picasso : il s’agit d’un marqueur de la modernité de ces œuvres.
 

Découvrir hier et préserver demain

Ces techniques ne s‘appliquent pas qu’à des tableaux, mais s’étendent à bien d’autres artefacts, comme par exemple à une amulette de cuivre du IVe millénaire av. JC, aujourd’hui fortement altérée. Le processus métallurgique de ce petit objet, le plus ancien connu fabriqué par la technique de la fonte à la cire perdue, restait encore incompris. Sous le faisceau ultraviolet de la ligne de lumière DISCO du synchrotron SOLEIL sont apparus de petits bâtonnets, invisibles jusqu’alors. Ces motifs sont caractéristiques d’un eutectique, état bien connu en métallurgie. Il s’agit d’un mélange de composés ayant fondu puis s’étant solidifiés de manière uniforme à température constante. Les scientifiques ont ainsi décrypté les processus de fabrication et d’altération de l’amulette. L’objet était initialement composé de cuivre pur, mais de l’oxygène a été incorporé pendant la fonte du cuivre, formant une couche d’oxyde cuivreux. Avec le temps, le cuivre s’est progressivement oxydé, ce qui a fait disparaître les différences de composition entre cuivre et oxyde cuivreux. Sur la base des ratios d’aires des différentes phases collectées sur les images obtenues, les scientifiques ont calculé la température de fusion du métal et sa pureté. L’analyse de cette amulette révèle des pratiques d’artisanat plurimillénaires !

Les questions de conservation des œuvres sont également au cœur des travaux des membres d’IPANEMA. Dans ce but, elles et ils développent de nouveaux instruments ou méthodologies, en collaboration avec de nombreux partenaires issus d’instituons académiques et culturelles. C’est le cas du sujet de doctorat de Pauline Hélou de La Grandière, restauratrice d’œuvres d’art, qui traite de la restauration des œuvres de la fin des années 50 de Pierre Soulages. Un des enjeux a été de concevoir, avec deux chercheurs de l’Institut d’Optique Graduate School et de l’Institut Lumière Matière de l’Université Lyon I, un appareil permettant de mesurer sans contact les valeurs de brillance et de matité des surfaces d’une œuvre. Ces relevés sont essentiels pour contrôler la dégradation de ces fameux tableaux noirs, où les reliefs, les textures et les jeux de lumières sont primordiaux.

Rassemblant de nombreuses expertises – physico-chimistes, historiennes et historiens, artistes et professionnels de l’art – et s’appuyant sur des outils et des méthodologies uniques, les recherches réalisées à IPANEMA offrent ainsi une nouvelle compréhension des objets du patrimoine, tournée autant vers le passé que l’avenir.
 

Références bibliographiques :

• Bertrand, Loïc, Sebastian Schoeder, Sophie David, et Mathieu Thoury. Initiatives européennes d’IPANEMA et du synchrotron SOLEIL pour l’étude des matériaux anciens. Technè. La science au service de l’histoire de l’art et de la préservation des biens culturels, n°43 (août 2016): 43.
• Gonzalez, Victor, Gilles Wallez, Didier Gourier, et al. Structure–Optical Properties Relationships in Cobalt-Based Purple Pigments Used by Robert Delaunay. Journal of the American Chemical Society 147, n°3 (2025): 2587 96.
• Helou-de la Grandière, Pauline, et Mathieu Thoury. Développement d’une recherche en restauration interdisciplinaire à travers l’exemple du doctorat NOIRøeS. In Recherche et Restauration : histoires, pratiques et perspectives, actes de la journée tenue à Paris le 22 septembre 2021 à l’Institut national d’histoire de l’art, édité par HiCSA éditions.
• Mecquenem, Clément de, Myriam Eveno, Matthias Alfeld, et al. Neural Network Simulation of Original Colors in Friedrich’s Abbey Among Oak Trees Featuring Discoloured Smalt. Npj Heritage Science 13, no 1 (2025): 388.
• Schöder, S., Katharina Müller, Laurent Tranchant, et al. Heritage research at the PUMA beamline. Applied physics. A, Materials science & processing 130, n°11 (2024): 848.
• Thoury, M., B. Mille, T. Séverin-Fabiani, et al. High Spatial Dynamics-Photoluminescence Imaging Reveals the Metallurgy of the Earliest Lost-Wax Cast Object. Nature Communications 7, n°1 (2016): 13356.