NANO-SPECTRO-IMAGERIE INFRAROUGE APPLIQUÉE AUX MATÉRIAUX ANCIENS

INFRARED NANO-SPECTRO-IMAGING APPLIED TO ANCIENT MATERIALS

• Auteur / Autrice : Antoine Vite
• Direction : Alexandre Dazzi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Physique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Spectroscopie infrarouge

Science des matériaux

Nanotechnologie

Matériaux anciens

Nanotechnology

Culture heritage

Material science

Infrared spectroscopy

Résumé

Dans le cadre de cette thèse nous proposons le développement de nouvelles approches d'analyse infrarouge multi-échelle pour l'étude physico-chimique de matériaux anciens. Ces développements reposeront sur la prise en compte leur spécificité, comme par exemple leur hétérogénéité, en permettant la collecte d'imageries spectrales à des résolutions spatiales comprises entre quelques dizaines de micromètres et le nanomètre. Le projet de recherche repose sur une collaboration entre l'Institut de Chimie Physique (ICP) et IPANEMA (synchrotron SOLEIL) et bénéficiera des instruments rassemblés dans la plateforme MUSIICS (MUltiScale Infrared Imaging for Complex System) comportant de multiples instruments d'analyse infrarouge couvrant une large gamme d'échelle spatiale allant du centimètre au nanomètre. Les objectifs du projet sont doubles. D'une part, le projet vise à mieux caractériser les processus de conservation/transformation de composés organiques spécifiques aux temps longs, à travers l'étude deux systèmes d'études spécifiques : les composés organométalliques issus de l'interaction liant/pigment dans des couches picturales provenant d'œuvres du 20e siècle, et l'état d'altération des restes de composés organiques fossilisés au sein de plantes et de cuticules d'insectes conservés dans l'ambre. En corolaire, l'étude de ces systèmes en utilisant de nouvelles approches d'imagerie en champs proche et lointain permettra de développer les procédés de préparation d'échantillons, de collectes des données permettant l'extraction d'information sur les processus physico-chimiques de transformation en jeu. Par ailleurs seront couplées à d'autres approches d'imagerie, telles que l'imagerie de photoluminescence et de STXM, afin d'évaluer la complémentarité des signatures obtenues et d'identifier des solutions pour lever les contraintes associées à la préparation des échantillons. Pour le premier, les études menées avec une restauratrice Pauline Hélou de La Grandière, se concentreront sur la caractérisation des composés d''altération et leur localisation au sein de couches de quelques dizaines de micron d'épaisseur. Certains phénomènes d'altération des couches picturales consistent en un ramollissement de couches picturales, initialement solides, qui mènent parfois jusqu'à des écoulements en surface des couches picturales. La caractérisation de la chimie et de la distribution spatiale, de l'échelle millimétrique jusqu'au nanomètre, des composés d'altération à l'origine de ces phénomènes de dépolymérisation sont critiques pour permettre la compréhension des processus de formation et de diffusion de ce phénomène et des paramètres environnementaux qui les initient. Les zones d'interface entre les grains de pigments avec le liant organique (huile siccative, résine naturelle) qui seront caractérisées en nano infrarouge sont particulièrement intéressante pour étudier les processus initiaux d'altération et seulement accessible avec des techniques de l'ordre de la dizaine de nm de résolution spatiale. Le second cas d'étude sera un ensemble de systèmes fossiles représentant des modes fossilisations distincts de composés organiques. Le premier système sera un corpus de plantes anciennes datant du Carbonifère (360 à 300 millions d'années). Les approches menées en micro et nano-imageries infrarouges viseront à identifier les composés organiques d'altération, comme la lignite ou dans certains cas la cellulose pour les plantes fossiles, qui renseigneront sur les procédés taphonomiques mis en jeu. Dans ces cas d'études, l'analyse infrarouge multi-échelle permettra de mieux comprendre d'une part les procédés de formulations des couches picturales et les mécanismes à l'œuvre dans la dépolymérisation des liants. Ces approches innovantes représentent un saut analytique permettant de mieux caractériser l'interaction entre les composés présents afin de mieux définir les processus parallèles de conservation/altération mis en jeu La complémentarité́ et les synergies entre la plate-forme MUSIICS et le laboratoire IPANEMA permettront d'assurer l'articulation entre l'étude de préservation/altération inhérente à l'historicité des matériaux patrimoniaux issus de collections culturelles et naturelles et les développements méthodologiques visant à optimiser l'extraction d'information sur leur état physico-chimique pertinents. La plateforme d'imagerie MUSIICS donnera l'accès aux instruments et encadrera les développements méthodologiques et expérimentaux. La sélection de corpus d'échantillons d'études, les stratégies de préparations des échantillons et les traitements de données seront plus particulièrement développés à IPANEMA. En particulier, l'hétérogénéité de ces composés d'études, leur propension à être modifiés sous irradiation lasers dans la gamme IR, seront des spécificités à partir desquelles seront déterminés les optimisations de ces approches d'analyse champs proche ainsi que des stratégies de traitement des données d'imagerie spectrale obtenues.

As part of this thesis, we propose the development of new multi-scale infrared analysis approaches for the physico-chemical study of ancient materials. These developments will be based on taking into account their specificity, such as their heterogeneity, by allowing the collection of spectral images at spatial resolutions between a few tens of micrometers to a few nanometers. The research project is based on a collaboration between the Institute of Physical Chemistry (ICP) and IPANEMA (SOLEIL synchrotron) and will benefit from the instruments brought together in the MUSIICS platform (MUltiScale Infrared Imaging for Complex System) comprising multiple infrared analysis instruments covering a wide range of spatial scales from centimeters to nanometers. The objectives of the project are twofold. On the one hand, the project aims to better characterize the conservation/transformation processes of specific organic compounds over long periods of time, through the study of two specific study systems: organometallic compounds resulting from the binder/pigment interaction in pictorial layers from 20th century works, and the weathering state of the remains of fossilized organic compounds within plant and insect cuticles preserved in amber. As a corollary, the study of these systems using new imaging approaches in near and far fields will make it possible to develop the processes of sample preparation, data collection allowing the extraction of information on the physico-chemical processes involved. In addition, they will be coupled with other imaging approaches, such as photoluminescence and STXM imaging, in order to assess the complementarity of the signatures obtained and to identify solutions to remove the associated constraints to sample preparation. For the first, the studies carried out with a restorer, Pauline Hélou de La Grandière, will focus on the characterization of the alteration compounds and their location within layers of a few tens of microns thick. Some phenomena of alteration of the pictorial layers consist of a softening of the initially solid pictorial layers, which sometimes lead to surface flows of the pictorial layers. The characterization of the chemistry and the spatial distribution, from the millimeter scale to the nanometer, of the alteration compounds at the origin of these depolymerization phenomena are critical to allow the understanding of the processes of formation and diffusion of this phenomenon and the environmental parameters that initiate them. The interface zones between the pigment grains with the organic binder (drying oil, natural resin) which will be characterized in nano infrared are particularly interesting for studying the initial processes of alteration and only accessible with techniques of the order of ten nm of spatial resolution. The second case study will be a set of fossil systems representing distinct fossilization modes of organic compounds. The first system will be a corpus of ancient plants dating from the Carboniferous (360 to 300 million years). The approaches carried out in infrared micro and nano-imaging will aim to identify the organic compounds of alteration, such as lignite or in some cases cellulose for fossil plants, which will provide information on the taphonomic processes involved. In these case studies, multi-scale infrared analysis will make it possible to better understand, on the one hand, the processes of formulation of the paint layers and the mechanisms at work in the depolymerization of the binders. These innovative approaches represent an analytical leap allowing better characterization of the interaction between the compounds present in order to better define the conservation/alteration processes involved. The complementarity and synergies between the MUSIICS platform and the IPANEMA laboratory will ensure the articulation between the study of preservation/alteration inherent in the historicity of heritage materials from cultural and natural collections and the methodological developments aimed at optimize the extraction of information on their relevant physico-chemical state. The MUSIICS imaging platform will provide access to instruments and will oversee methodological and experimental developments. The selection of sample corpora, sample preparation strategies and data processing will be more particularly developed at IPANEMA. In particular, the heterogeneity of these study compounds, their propensity to be modified under laser irradiation in the IR range, will be specificities from which the optimizations of these near-field analysis approaches as well as treatment strategies will be determined for spectra imaging data.