Les méthodes usuelles d’analyse des œuvres d’art

L’homme a toujours été à la recherche de nouveaux moyens d’améliorer son travail artistique. Pour conserver, restaurer et vérifier l’authenticité des œuvres, de nombreuses techniques d'analyse scientifiques ont donc été adaptées et développées afin de permettre l'analyse la plus pointue des matériaux.

Datation

La datation, qui permet l’estimation de l’époque de fabrication des œuvres, est sans doute la partie des sciences concernant le patrimoine la mieux connue du grand public, en grande partie grâce à la datation au carbone 14. Celle-ci consiste à doser le rapport entre les isotopes 14 (radioactif) et 12 (stable) du carbone contenus dans les résidus organiques. Cette quasi-exclusivité du carbone n’en fait pas l’unique technique de datation disponible.

La datation par rapport isotopique est en fait possible avec tous les composés radioactifs à condition d’avoir un renouvellement du stock disponible et des niveaux de concentration compatibles avec les seuils de détection, ce qui réduit les possibilités, mais le potassium ou l’argon sont des exemples possibles.

Une autre technique de datation est la dendrochronologie qui consiste à dater un objet en bois par l’analyse des cernes. La croissance des cernes est influencée par le climat et les séquences traduiront les empreintes digitales de l’époque et du lieu. Ces deux techniques permettent de dater des objets d’origine biologique.

Deux autres techniques peuvent être utilisées pour dater les objets en argile. La première est le paléomagnétisme qui va se baser sur la capture du champ magnétique terrestre lors de la cuisson. La mesure de celui-ci va en effet permettre de dater l’objet. La seconde est la thermoluminescence qui consiste à mesurer la lumière émise lors du chauffage de l’objet. Lorsqu’un objet en argile est soumis à une irradiation (naturelle ou artificielle), les électrons peuvent se retrouver piégés dans des états métastables au niveau des défauts cristallins. Lors du chauffage de l’objet, l’énergie thermique permet de les libérer ce qui conduit à une émission radiative et, en collectant ce rayonnement, il est finalement possible d’estimer le laps de temps qui s’est écoulé depuis la dernière cuisson de l’objet.

Analyse élémentaire

La seconde catégorie de techniques permet l’analyse élémentaire conduisant à la connaissance qualitative ou quantitative des atomes constituant l’objet.

La technique la plus classique pour ces mesures consiste à utiliser un microscope à balayage électronique (MEB). Les électrons vont exciter le nuage électronique des différents atomes qui vont rayonner à des longueurs d’onde précises selon les principes de la mécanique quantique. Cette technique requiert une préparation des échantillons (polissage et métallisation) qui implique des prélèvements. Les cartographies au MEB permettent de distinguer la stratigraphie des coupes ou de différencier les pigments.

Une autre technique est la fluorescence X où des rayons X sont utilisés à la place des électrons pour exciter la matière. Cette méthode ne nécessite ni préparation ni vide et peut être utilisée sur des œuvres entières. Une autre technique basée sur ce principe physique est nommée « émission de rayons X induite par particules » ou PIXE. Elle consiste à ioniser les éléments à l’aide de protons ou autres particules. Pour cela, un accélérateur de particules est encore nécessaire, mais des techniques innovantes basées sur des lasers plus compacts pourront peut-être le remplacer dans les années à venir.

La technique, basée sur l’accélération de particules élémentaires, est la rétrodiffusion de Rutherford (RBS). Le principe physique correspond à un choc élastique entre l’atome cible et un projectile. L’énergie de la particule rétrodiffusée va dépendre de sa masse, de l’angle de collection ainsi que de celle de l’atome cible. C’est donc un autre moyen de connaître la nature chimique des éléments.

Enfin, la dernière technique d’analyse élémentaire que nous mentionnons est la spectroscopie de masse. En réduisant les composés à l’état atomique, puis en les accélérant, il est possible de les différencier (séparer) par calcul de la différence de temps de vol ou l’évaluation de la déviation magnétique. Cette méthode d’analyse permet de séparer les éléments mais aussi les isotopes d’un même élément.

Analyse structurelle

L’analyse élémentaire est souvent insuffisante pour caractériser un objet macroscopique. L’exemple le plus connu est sans doute le graphite et le diamant qui ont la même composition élémentaire, le carbone, mais des propriétés physiques bien différentes. Pour les différencier, il faut effectuer une analyse dite structurelle qui va permettre de retrouver la structure cristalline (paramètre de maille, etc.) dans le cas des cristaux, ou la structure chimique (détermination des compositions moléculaires) dans le cas des molécules.

Une technique très répandue est la diffraction des rayons X qui fonctionne comme la diffraction de la lumière – interaction d’une onde électromagnétique avec un objet dont la dimension est de l’ordre de grandeur de sa longueur d’onde – mais pour une gamme de longueurs d’onde beaucoup plus faibles. Cette méthode permet de remonter aux paramètres de maille de la structure cristalline étudiée.

L’analyse Raman se base quant à elle sur la diffusion inélastique des photons lors de l’interaction du rayonnement avec le milieu, ce qui entraîne une modification de la longueur d’onde, donnée caractéristique de la maille ou des modes de vibration moléculaire. La spectrométrie infrarouge permet de détecter les fonctions chimiques présentes dans l’échantillon par absorption vibrationnelle du rayonnement. D’autres techniques venant de la chimie, comme la chromatographie, peuvent aussi être utilisées pour déterminer les composants d’un mélange en les séparant.

Enfin, certaines méthodes vont pouvoir caractériser les propriétés mécaniques des matériaux, en procédant à des tests standards (tests de traction par exemple). D’autres techniques d’analyse structurelle sont encore à l’étude aujourd’hui comme la nano-indentation par exemple.

Imagerie

La dernière catégorie des méthodes usuelles d’analyse concerne l’imagerie appliquée aux œuvres. Celle-ci peut être utilisée soit pour conserver un enregistrement de l’état de l’œuvre à un moment donné, soit dans un cadre d’investigation.

Quand on parle d’enregistrement, la photographie est généralement l’idée immédiate qui vient à l’esprit. Cependant, des techniques d’imagerie bidimensionnelle (2D) plein-champ autre que la photographie existent. Pour rester dans un domaine proche du rayonnement visible, les photographies UV permettent d’imager les zones restaurées, alors que celles en infrarouge donnent une distinction différente entre les pigments de couleur proche.

La réflectographie infrarouge va permettre de visualiser les dessins sous-jacents réalisés à base de carbone. En s’éloignant un peu plus en fréquence, les rayons X permettent la radiographie de l’objet en transmission et rendent compte des différences de densité de celui-ci. Cette technique d’imagerie sera en outre comparée à l’imagerie THz dans la dernière partie de cet article.

Ces techniques d’imagerie peuvent être modifiées pour restituer la structure tridimensionnelle (3D) de l’objet, comme par exemple avec la tomographie par rayons X (plus connue sous le nom de scanner médical). Dans le domaine optique, la structure 3D de l’extérieur de l’objet sera obtenue en utilisant des scanners laser 3D pour une échelle macroscopique, ou la microtopographie pour une échelle mésoscopique. Notons aussi qu’un certain nombre des techniques présentées dans les sections précédentes peuvent aussi être utilisées pour imager les objets, avec une réalisation de l’image finale en mode « point par point ».

La complexité des matériaux du patrimoine est telle que le recours simultané aux différentes techniques précitées est très souvent nécessaire pour corréler les résultats et extraire les informations recherchées. De même, le développement de caméras multispectrales est encouragé afin d’analyser les œuvres simultanément sur une grande partie du spectre des ondes électromagnétiques (UV, visible et infrarouge notamment).

A l’heure actuelle, il est certain que la science liée à l’art est en perpétuelle évolution. Une importante contrainte est la diminution du nombre de prélèvements possibles et la préservation nécessaire des œuvres qui impliquent l’utilisation de techniques non-intrusives et non-destructives. Encore aujourd’hui, il est donc nécessaire de développer de nouvelles méthodes d’investigation innovantes issues de nouvelles technologies. C’est ce que nous proposons ici de démontrer à travers l’utilisation du rayonnement THz, avec une autre contrainte importante concernant la nécessité de pouvoir déplacer le laboratoire vers l’œuvre et non l’œuvre vers le laboratoire. Les dispositifs d’imagerie THz que nous aurons à développer devront donc être miniaturisés pour les rendre portables.

Cet article est un court extrait des bases documentaires de Techniques de l’Ingénieur.

Pour lire la suite de l’article et découvrir les méthodes avancées d’analyse de l’art, n’hésitez pas à consulter l’article « Le rayonnement térahertz pour l’analyse des matériaux du patrimoine culturel » bientôt disponible en ligne ainsi que notre base documentaire dédiée à l’art.

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