Approches spectroscopiques et chimiques pour le traçage des conditions de synthèse des verres de vitraux : évolution de la coloration verte et étude de l'ensemble roman de Châlons-en-Champagne

Spectroscopic and chemical approaches to trace the synthesis conditions of stained glass pieces: evolution of the green colouration and study of the Romanesque ensemble of Châlons-en-Champagne

• Auteur / Autrice : Cecile Bretonnet
• Direction : Laurence Galoisy, Sylvie Balcon-berry
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/10/2026
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Rossano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Galoisy, Emmanuel Fritsch, Amélie Bordage, Jean-François Luneau, Trinitat Pradell, Sylvie Balcon-berry, Claudine Loisel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Fritsch, Amélie Bordage

Mots clés

Mots clés libres

Vitraux

Patrimoine

Méthodes spectroscopiques

Structure des verres

Conditions de synthèse

Stained glass windows

Cultural Heritage

Spectroscopy

Glass structure

Synthesis conditions

Résumé

La coloration des matériaux constitue une excellente illustration des relations structure - propriété : dans le cas des verres, cette propriété a de tout temps été remarquable et recherchée. En combinant différentes approches chimiques, spectroscopiques et colorimétriques, ce sujet s'attache à montrer l'importance de la spéciation des éléments dans les matériaux vitreux (degré d'oxydation, coordinance) pour obtenir des informations sur les conditions d'élaboration des verres de vitraux à travers le temps. L'ensemble des colorations présentes au sein de vitraux datant du début du XIIe siècle et provenant de la cathédrale Saint-Etienne de Châlons-en-Champagne a ainsi pu être analysé par des techniques portables, non invasives et non destructives (spectroscopie d'absorption optique (OAS) et spectroscopie Raman). La composition chimique quantitative d'une sélection de verres a aussi été déterminée par PIXE/PIGE sur l'accélérateur de particules New AGLAE. Ces résultats ont permis d'améliorer la connaissance de ces vitraux romans et permis la comparaison avec des vitraux semblables de par leur iconographie ou leur provenance. Des pièces de verre supplémentaires ont également été choisies et analysées dans le but de comprendre l'évolution des colorations vertes dans le temps. Le corpus considéré est constitué de verres datant du XIIe siècle au XXe siècle, provenant du Nord et de l'Est de la France (Saint-Etienne de Châlons-en-Champagne, Notre-Dame de Reims, Troyes, Notre-Dame de Paris et Saint-Jean-Baptiste de Péronne). Une comparaison entre les données chimiques et spectroscopiques a permis de déterminer les degrés d'oxydation des éléments de transition responsables de la coloration de ces verres, et constitue une première avancée dans l'étude archéométrique des verres de vitraux contemporains (XIXe et XXe siècles). Les deux types de coloration principalement observés ont aussi été caractérisés par des approches multi-techniques combinant OAS, Raman, EPMA et XAS sur de verres modèles élaborés en laboratoire (verres médiévaux Cu-Fe) et de échantillons de référence utilisées pour la création et la restauration de vitraux (verres contemporains Cu-Cr).

The colour of materials provides an excellent illustration of the relationships between structure and properties. In the case of glass, this property has always been desirable and remarkable. By combining chemical, spectroscopic and colorimetric approaches, this study aims at demonstrating the importance of element speciation in glassy materials (oxidation state, coordination number) in order to understand the conditions under which glass pieces composing stained-glass windows were produced over time. All the colourings present in stained-glass windows dating from the early 12th century and originating from Saint-Étienne Cathedral in Châlons-en-Champagne were thus analysed using portable, non-invasive and non-destructive techniques (optical absorption spectroscopy (OAS) and Raman spectroscopy). The quantitative chemical composition of a selection of glass samples was also determined using PIXE/PIGE on the New AGLAE particle accelerator. These results improved the understanding of these Romanesque stained-glass windows and enabled comparison with similar windows in terms of iconography or provenance. Further stained-glass pieces were then selected and analysed to understand how green colouration in stained-glass windows evolved over time. This corpus of pieces dating from the 12th to the 20th century, originating from the northern and eastern part of France (Châlons-en-Champagne, Reims, Troyes, Paris and Péronne). A comparison of chemical and spectroscopic results made it possible to determine the oxidation states of the transition elements responsible for the colouration of these glass samples, and represents a first step forward in the archaeometric study of contemporary stained-glass (19th and 20th centuries). The two main types of colourations observed were also characterised using multi-technique approaches combining OAS, Raman, EPMA and XAS on laboratory-synthetized model glass samples (for the medieval Cu-Fe colouration type) and reference samples used in the creation and restoration of stained-glass windows (contemporary Cu-Cr colouration type).