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La couleur et ses mystères

Nous vivons dans un monde en couleurs : l'art, la mode, le marketing... La couleur, qui apparaît comme naturelle, est un enjeu économique (développement de matériaux et de produits) et s'accompagne de recherches importantes.

Page 15 / 16 - La recherche actuelle : quelques exemples Sommaire
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Claire König Enseignante Sciences Naturelles

1 - Une recherche pionnière en archéométrie : l'analyse des teintures des textiles anciens

L'analyse systématique des colorants présents sur les textiles anciens de différentes époques et civilisations est une voie de recherche des plus prometteuses, qui implique des collaborations pluridisciplinaires entre historiens, biochimistes et chimistes spécialisés dans les différentes techniques d'analyses des colorants. La recherche et l'étude de recettes anciennes de teinture permettent d'identifier les sources de colorants utilisées préférentiellement à certaines époques et dans certaines régions du monde.

L'archéologie expérimentale, supposant de bonnes connaissances naturalistes, consiste à récolter une grande diversité de plantes et d'animaux tinctoriaux pour reproduire les recettes anciennes et produire des échantillons de teinture de référence.  Aux biochimistes revient l'étude de la composition chimique de ces sources biologiques de teintures et l'identification des composants qui se fixent sur les fibres textiles.

Actuellement, les techniques chromatographiques (chromatographie liquide haute performance) et spectrométriques sont très employées. Le prélèvement d'échantillons (fragments de fils de quelques milligrammes) est encore indispensable.

En France, le Laboratoire de recherche des monuments historiques (Champs-sur-Marne) est le seul laboratoire qui effectue couramment des analyses de colorants sur les textiles anciens. De nouvelles techniques d'analyse non destructives sont en cours d'élaboration avec l'espoir d'opérer " in situ " sans déplacement des documents.

Marchands de colorants à Venise
Marchands de colorants à Venise

2 - La goniospectrophotocolorimétrie

D'après un article de Mady Elias - Institut des NanoSciences de Paris, (INSP).

L’étude des oeuvres d’art ou celle des objets vivants, précieux car uniques, nécessite de développer des mesures non-destructives (sans prélèvement), sans contact et réalisables in situ (instrument portable). Les résultats doivent être obtenus en temps réel, pour pouvoir être discutés en présence des différents acteurs de la recherche (restaurateurs, conservateurs, cosméticiens, chimistes,...)

Ce goniospectrophotocolorimètre appartient à la catégorie des spectrophotomètres bi-directionnels. Une lumière blanche (halogène) produit un faisceau parallèle qui éclaire la surface à étudier. La lumière réfléchie et diffusée par la surface est recueillie dans la même direction que la lumière incidente (rétro-diffusion), puis dispersée par un réseau et analysée par un capteur.

Différents pigments
Différents pigments

Il est alors possible :

- d’enregistrer l’intensité lumineuse recueillie en fonction de l’angle d’observation, à une longueur d’onde donnée (La goniométrie permet de décrire quantitativement l’état géométrique d’une surface et plus précisément ses écarts par rapport à un plan moyen.). Cette méthode non-destructive est appliquée pour étudier les modifications des états de surface engendrés par des facteurs extérieurs (vieillissement d’un vernis, vieillissement de la peau, influence du rayonnement UV, lissage de la surface provoqué par un revêtement de protection, effet de différents traitements des tissus, des papiers ou de produits hydratants en cosmétique). Elle permet également de distinguer les trois techniques artistiques d’application de l’or dans les oeuvres d’art, qui conduisent à des états de surface différents. On devine ainsi, sans prélèvement, comment l’artiste a procédé, il y a plusieurs centaines d’années.

- d’enregistrer l’intensité lumineuse normalisée en fonction de la longueur d’onde, pour un angle d’observation donné (spectrométrie). La spectrométrie permet d’identifier la nature d’un pigment ou d’un colorant. Le spectre de réflexion diffuse d’un tel chromophore est considéré comme sa signature optique. Le spectre d’une surface colorée inconnue est ainsi comparé aux spectres d’une base de données de pigments et colorants de référence. La résolution en longueur d’onde est suffisante pour distinguer ainsi deux pigments très voisins, comme Cr2O7 et Cr207* 2H2O.

Spectre oxyde chrome (voir ci-dessus)
Spectre oxyde chrome (voir ci-dessus)

Cette méthode d’identification recoupe les résultats obtenus par spectrométrie Raman également non destructive. La spectroscopie de réflexion diffuse permet également de choisir expérimentalement les matériaux de consolidation ainsi que leurs techniques d’application, qui ne doivent pas modifier l’aspect visuel d’une œuvre à restaurer. Elle est enfin l’outil de validation privilégié des modélisations de l’aspect visuel : dévernissage ou vernissage virtuel d’une peinture, hydratation virtuelle d’une peau.

- de calculer les coordonnées colorimétriques à partir du spectre précédent (colorimétrie)

La couleur d’un objet dépend de la source lumineuse qui l’éclaire, de la nature de l’objet et de l’observateur. Elle se quantifie par trois coordonnées colorimétriques, calculées à partir d’un illuminant standard, du spectre de réflectance de l’objet et des trois fonctions caractéristiques d’un oeil standard, liées aux trois types de cônes de la rétine. Cet  observateur de référence fictif a été obtenu à partir de la moyenne des réponses d’un panel de sujets réels. On obtient un constat colorimétrique chiffré, en un lieu et à une date donnés, qui pourra être utilisé par comparaison pour observer une évolution de la couleur.

Il est ainsi possible de vérifier quantitativement si les conditions d’éclairage ou d’hygrométrie lors d’une exposition prolongée en salle modifient la couleur d’une oeuvre fragile, d’effectuer un suivi colorimétrique au cours d’une restauration (décider d’arrêter un allègement de vernis lorsque la couleur n’évolue plus), de tester l’effet colorimétrique de produits cosmétiques et de produits de traitement des papiers ou tissus...

La colorimétrie permet également de comparer la palette d’un artiste au cours de sa vie, la palette de différents artistes ayant vécus à la même époque et dans une même région. Il est donc possible, toujours sans prélèvement, de réaliser des mesures colorimétriques dans un même drapé par exemple et de deviner la technique utilisée par l’artiste il y a plusieurs centaines d’années.

Barques de Van Gogh, des bleus et des jaunes…
Barques de Van Gogh, des bleus et des jaunes…

3 - Tableaux de maîtres sous les feux des projecteurs

La modélisation des propriétés optiques des couches picturales permet de reconstituer l'aspect visuel d'une œuvre d'art. Il est ainsi possible de reconnaître les différentes techniques artistiques et d'expliquer leurs aspects visuels spécifiques.  Cette recherche fournit également une aide à la restauration en simulant l'aspect d'une œuvre virtuellement vernie ou dévernie.

L'exemple suivant illustre l'approche scientifique qui a pu être faite en comparant la technique des glacis, qui a révolutionné la peinture au 15e siècle, à celle du mélange de pigments.  La modulation des couleurs était obtenue :
- soit en modifiant le nombre de couches de glacis chez les Primitifs Flamands (Van Der Weyden),

Oeuvre de Van Der Weyden
Oeuvre de Van Der Weyden

- soit par addition de pigments blancs ou noirs chez les Primitifs Italiens (Daddi). 

La couleur semble provenir du fond de l'œuvre dans le premier cas, alors qu'elle semble n'être créée qu'en surface dans le second cas. Ces effets visuels spécifiques ont été interprétés en modélisant le trajet de la lumière à l'intérieur de la matière picturale dans le cadre de la diffusion multiple incohérente. Des mesures de couleur par spectro-colorimétrie non destructive réalisables in situ permettent ainsi actuellement d'identifier ces deux techniques sans prélèvement. Laboratoire d'optique des solides, CNRS-Université Paris 6

4 - Couleur et matériaux à effets visuels

Promouvoir une approche pluridisciplinaire des phénomènes liés à la couleur dans les matériaux et aux effets visuels associés, en mettant en synergie ses différents acteurs dans les sciences humaines, les sciences du vivant, les sciences de l’univers, la chimie, la physique et l’industrie.

Couleur de l’Egypte
Couleur de l’Egypte

Identifier les enjeux au plan de la recherche fondamentale et au plan des applications industrielles et artistiques. Mettre en chantier des actions pluridisciplinaires pertinentes pour tenter de répondre à certains de ces enjeux.

Proposer un renouvellement et une dynamisation de l'enseignement dans une vision pluridisciplinaire, mieux orientée vers la modélisation et la réalisation des effets nouveaux actuellement recherchés.

5 - Matériaux pour la couleur

L’Ecole de Printemps de Roussillon en Provence vient d’être retenue pour la cinquième fois par le CNRS comme Ecole thématique interdisciplinaire sur la couleur des matériaux.

Outre le CNRS, cette Ecole de printemps est organisée par le Conservatoire des ocres et pigments appliqués (ôkhra), le GDR couleur et matériaux à effets visuels, l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP), le Centre de Recherche et de Restauration des musées de France (C2RMF) et le Centre Français de la Couleur (CFC).

Couleurs de l’Egypte ancienne
Couleurs de l’Egypte ancienne

Cette année, l’Ecole consacre une place importante au renouvellement de la science des matériaux de la couleur, aux frontières de la chimie, de la physique et de la biologie, aux matériaux "bio-inspirés" et à leurs applications potentielles. 
Ce programme prend la suite d'une succession de thèmes des écoles de printemps à Roussillon :
« matière, lumière, perception » (2000),
« aspects physiques : pigments » (2001),
« aspects chimiques : colorants » (2002),
« le métal » (2003),
« les oxydes et composés métalliques » (2004)

Sulfate cuivre
Sulfate cuivre

« couleur langage cognition» (2005)
« lumière et couleur des matériaux » (2006).
www.okhra.com ou www.cf-couleur.fr

6 - Retrouver le lustre des céramiques de Bagdad

Philippe Colomban, chimiste au CNRS, est spécialiste des céramiques. Il est aussi directeur du Laboratoire de dynamique, interactions et réactivité (LADIR : CNRS et université Pierre et Marie Curie Paris VI) (ci-dessous, un article du CNRS modifié et abrégé). Il étudie leurs propriétés physico-chimiques. Dans la Revue de la céramique et du verre il livre une synthèse sur la technique du lustre polychrome, inventée par les potiers de Bagdad et perdue.

On peut considérer le lustre abbasside créé au IXè siècle comme l'invention du premier dispositif nano-optique.  Un lustre monochrome a un seul reflet métallique : or, rouge, bleu ou argent. Le phénomène existe à l'état naturel sur les opales et chez certains papillons. Polychromes, les couleurs d'un lustre peuvent passer d’une couleur à l’autre selon l'angle d'observation. Cette invention permet d'utiliser des objets qui ont l'aspect de l'or ou de l'argent, sans transgresser les préceptes islamiques. La technique s'est répandue jusqu'en Europe au XVIè siècle, mais en perdant l'aspect polychrome. C'est par la lumière réfléchie que l'essentiel du monde extérieur nous est visible.

Le lustre céramique a la particularité de renvoyer la couleur selon un troisième phénomène optique : la diffraction. Des nanobilles forment un réseau qui disperse ou diffracte la lumière, comme un prisme. Le rangement en lignes ou en réseaux oriente la réflexion, dite alors spéculaire.

Le lustre, un réseau de nano-précipités métallique. L’émail , un verre transparent, apparaît coloré car il contient :

- des particules métalliques (les nanobilles d'argent et de cuivre) de quelques nanomètres, c'est à dire de taille comparable aux longueurs d'ondes de la lumière et
- des ions chromophores qui absorbent certaines longueurs d'ondes et réfléchissent la coloration non absorbée.

Céramique lustrée - Étoile au chameau, Iran, fin XIIIe, céramique siliceuse à décor de lustre métallique et peint sous glaçure, musée du Louvre
Céramique lustrée - Étoile au chameau, Iran, fin XIIIe, céramique siliceuse à décor de lustre métallique et peint sous glaçure, musée du Louvre

Dans la réalisation d'un émail lustré, composition, température et conditions de cuisson doivent contrôlés pour obtenir des précipités métalliques. La présence d'étain est importante pour imposer l'équilibre électrochimique nécessaire à la formation de ces précipités de cuivre et d'argent.

En couche mince, des dispersions de  nanobilles métalliques (argent, cuivre, alliages magnétiques…) dans un verre diélectrique absorbent sélectivement la lumière. Elles permettent une sélection du signal ou un filtrage optique, protégeant ainsi de certaines longueurs d'ondes (laser, radar par exemple). Le principe pour les lustres de Bagdad est le même, avec pour seul objectif de sélectionner une couleur. La connaissance des matériaux du passé (musées, identification des pièces, restauration) sert également les matériaux du futur !

Céramique lustrée - Plat à la gazelle, Égypte, XIe siècle, Céramique à décor lustré, Le Caire, Musée d'art islamique
Céramique lustrée - Plat à la gazelle, Égypte, XIe siècle, Céramique à décor lustré, Le Caire, Musée d'art islamique

La technique du lustre

Pour le lustre, une troisième cuisson à une température encore plus basse (600 °C) en milieu réducteur est nécessaire. Sur la pièce cuite et émaillée, une pâte (sels métalliques, vinaigre et lies de vin) est déposée et provoque une réaction avec l'émail, une diffusion et une précipitation des nanobilles métalliques, et en fin de cuisson une combustion en surface. Cette nouvelle chaleur modifie ces précipités. Après cuisson, l'objet est lavé à l'eau. La pâte se détache et le décor porte des reflets métalliques. C'est la présence de plomb qui permet la fusion de l'émail à aussi basse température. Contrairement à une idée reçue, l'atmosphère de cuisson n'est pas forcément déterminante car la composition du matériau impose la couleur. C'est l'analyse par spectroscopie Raman de la composition des émaux qui a permis de reconstituer la température de cuisson.
http://www.ladir.cnrs.fr/activite.htm#ceramique : sur le site vous trouvez des indications sur les nombreuses recherches du département concernant, entre autres, la céramique.

[1] Le dossier présenté par la Revue de la céramique et du verre (n° 139) a été établi en collaboration avec le nouveau département Islam du Louvre, le musée national de Céramique à Sèvres, le musée national du Moyen-âge-Cluny, l'aide de la manufacture nationale de céramique à Sèvres, du Centre de recherche sur la Physique des Archéomatériaux (CNRS et université Michel de Montaigne - Bordeaux 3) et d'équipes espagnole et américaine.

7 - Couleurs et gemmes

Les impuretés qui sont responsables de la couleur sont des ions qui absorbent la lumière dans le domaine visible. Ils sont peu nombreux et appartiennent principalement à la famille des métaux de transition : vanadium (V), titane (Ti), chrome (Cr), manganèse (Mn), fer (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), cuivre (Cu). Le plomb et les lanthanides (terres rares) peuvent également être impliqués. Dans des cas plus rares, l'ion n’est pas métallique : l'ion S32– par exemple est responsable de la couleur bleue de la lazurite, le constituant principal du lapis-lazuli.

Tanzanite
Tanzanite

Vous pouvez vous reporter au dossier sur la croissance des minéraux dans lequel il est aussi question de couleur. 

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