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Des techniques d’analyse à l’ESIREM au service du patrimoine

vendredi 18 janvier 2019, par Isabelle Thibaudet

Les 31 élèves de la classe Sciences et Patrimoine du Lycée Bonaparte se sont rendus le mardi 15 janvier à l’ESIREM à Dijon (Ecole supérieure d’ingénieurs en matériaux/développement durable et informatique et électronique) .
L’objectif de cette sortie était d’analyser les pigments et colorants synthétisés en MPS
(Méthodes et pratiques scientifiques) notamment le bleu de Prusse et l’indigo.

Accueillis et encadrés par Mrs Couvercelle, Dachicourt et Mme Leonard, les élèves ont pu mettre en œuvre différentes techniques d’analyse utilisées dans le domaine de l’art.

I.Spectrocopie IRTF.

La spectroscopie infrarouge (IR) permet d’identifier certains colorants ou pigments. Même si comme d’autres analyses physico-chimiques dites destructives, elle nécessite des prélèvements de matière, cette technique présente un grand avantage car la quantité de l’échantillon qui doit-être prélever est extrêmement faible : les micro-prélèvements se pratiquent à l’aide d’une aiguille dans des endroits discrets. En spectroscopie infrarouge, les radiations qui traversent l’échantillon à analyser appartiennent au domaine de l’infrarouge. Quand une lumière IR traverse un échantillon (solide, liquide ou gazeux), certaines liaisons absorbent de l’énergie pour vibrer. Il apparait alors des pics d’absorption caractéristiques de la liaison qui vibre.
Un spectre Infrarouge fait apparaitre en abscisse le nombre d’onde sigma en (cm-1) et en ordonnée la transmittance (exprimée en %) T =I/I0

Une transmittance, de 100% signifie qu’il n’y a pas d’absorption ; de ce fait les bandes d’absorption d’un spectre IR pointent vers le bas.

Les spectres IR réalisés ont mis en évidence des liaisons CN pour le bleu de Prusse et N-H et C=O pour l’indigo.

II. Spectroscopie UV visible :

L’échantillon à analyser est traversé par un rayonnement lumineux de longueur d’onde allant de 200-800 nm.

Deux lampes sont nécessaires pour cela :

- une au deutérium pour émettre dans l’UV

- un filament de tungstène pour émettre dans le visible.

Les photons issus du rayonnement transfèrent aux composés analysés une énergie qui excite les molécules, atomes ou ions traversés. Ainsi une partie du rayonnement incident est absorbé. L’étude du rayonnement après passage à travers la substance analysée permet d’obtenir des informations sur sa nature et notamment sur sa couleur.

Lorsque la solution est placée dans un spectroscope, elle reçoit un rayonnement d’intensité I0. L’intensité (I) du rayonnement issu de la cuve est donc inférieure à l’intensité du rayonnement initial (I0) car une partie est absorbée.

A partir de ces intensités on définit l’absorbance A : A = log(I0/I)

Un spectre UV-visible comporte toujours une longueur d’onde (λmax) pour laquelle l’absorbance est maximale (Amax)

λmax est une grandeur caractéristique du composé analysé. Elle peut donc permettre d’identifier l’espèce chimique en solution. Cependant des molécules proches peuvent avoir des λmax très similaires.

Pour L’indigo, on trouve λmax = 717 nm donc d’après le cercle chromatique, il s’agit bien d’un composé bleu.

Pour le bleu de Prusse λmax = 684 nm, donc d’après le cercle chromatique, il s’agit bien d’un composé bleu/vert.

III. Colorimétrie Lab

Avec la technique La*b* une couleur est repérée par trois valeurs :

· L, la luminance, exprimée en pourcentage (0 pour le noir à 100 pour le blanc)

· a et b deux gammes de couleur allant respectivement du vert au rouge et du bleu au jaune avec des valeurs allant de -120 à +120.

*Pour l’indigo :

L = 72

a=0

b= -17 ( bleu)

*Pour le bleu de Prusse

L=65

A =-4 ( vert)

B= -21 (bleu)

Cela confirme qu’il y a du vert dans le bleu de Prusse.

IV.MEB ( microscope électronique à balayage)

Un faisceau d’électrons (produit par un canon à électrons) est projeté et se déplace sur l’échantillon à analyser qui est rendu conducteur par une fine couche d’or vaporisée.

Les électrons sont accélérés par un champ électrique. Une pompe fait le vide ;

Le balayage est assuré par un champ magnétique.

Trois types de particules sont alors émises ;

*L’interaction entre la sonde et l’échantillon génère des électrons appelés « secondaires » ( électrons absorbés puis réémis).

La détection de ces électrons fournit une information sur la topographie de l’échantillon sur une profondeur de 10 nm. L’analyse de ces électrons permet d’obtenir une image caractéristique de la surface.

* Electrons rétrodiffusés : Un électron primaire du faisceau incident entre en collision avec l’échantillon. Il ressort sans perte d’énergie, Il a subi une interaction coulombienne avec les atomes "diffuseurs". L’image obtenue est donc fonction de la composition chimique de l’échantillon.

*Des photons X qui sont détectés par un capteur spécial.

Le MEB permet de grossir, d’observer la surface d’une substance en 3D , de reconnaître les éléments qui la composent et d’en déterminer sa pureté.

Le Microscope Electronique à Balayage produit des images tridimensionnelles de la surface des échantillons avec une résolution pouvant atteindre quelques nm .

Pour le bleu de Prusse : on voit des angles très marqués et la présence des éléments Fe,N, K et S qui sont des impuretés.

Pour l’indigo : les cristaux ressemblent à des aiguilles et il y a présence de C,N, Na ( impureté apportée par la soude qui a permis de synthétiser l’indigo).

En conclusion

Ces différentes techniques utilisées ont montré que les élèves ont bien synthétisé le bleu de Prusse et l’indigo mais ces deux espèces présentaient des impuretés.

Ce voyage et ces différentes mesures ont été financées par l’académie de Dijon (ateliers scientifiques CSTI).

Mme Thibaudet accompagnée de Mme Bridant et Mme Prochasson remercie vivement l’ESIREM pour son accueil, le professionnalisme, la pédagogie de ses enseignants et la mise à disposition de machines fort onéreuses !

Cette sortie a constitué certainement une expérience unique pour ces 31 élèves très chanceux !

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