Mieux déchiffrer les matériaux anciens

Interview de Loïc Bertrand  

Loïc Bertrand, quel est l’objectif de cette publication parue dans la revue Accounts of Chemical Research ?

Accounts of Chemical Research est une revue qui invite des groupes d’auteurs à présenter des concepts nés dans une équipe* ayant développé une approche originale en chimie. L’article a donc un format atypique, différent d’un papier scientifique classique où l’on montre de nouveaux résultats. Dans cet article, nous questionnons nos pratiques d’étude des matériaux anciens afin de proposer de nouvelles voies d’accès à l’information qu’ils renferment. L’équipe avec laquelle je travaille depuis plusieurs années sur l’étude des matériaux anciens se compose d’Etienne Anheim, directeur d’étude en histoire médiévale à l’École des Hautes études en sciences sociales (EHESS) et épistémologue, Mathieu Thoury, ingénieur en optique, Pierre Gueriau, paléontologue, et Serge Cohen, mathématicien. Tous les trois travaillent au laboratoire IPANEMA.

Quelles sont les caractéristiques fondamentales d’un matériau du patrimoine ?

Les matériaux anciens ont pour caractéristique d’associer hétérogénéité et régularité, altérabilité et durabilité, singularité et représentativité. Nous sommes devant des systèmes dont l’altération ne peut être négligée. Même un objet exceptionnellement préservé montre des marques d’altération formées au cours du temps. D’un autre côté, si on les étudie, c’est parce qu’il y a des informations qui ont été préservées sous une forme altérée et que l’on cherche à reconstruire en étudiant leur forme, leur composition, et souvent l’association entre forme et composition.

Qu’est-ce qui distingue les matériaux du patrimoine d’autres matériaux ?

Ce sont d’abord ces caractéristiques fondamentales qui vont les distinguer. Mais ils font aussi partie d’une classe plus large de « matériaux naturels modifiés au cours du temps » qui partagent certaines de ces caractéristiques. Nos réflexions ont donc une résonance en sciences de l’environnement, en sciences de la Terre, en médecine. Ça n’est pas complètement du hasard : ces disciplines étudient toutes des matériaux altérés dont l’évolution temporelle ne peut être négligée et qui est en elle-même une source essentielle d’information.

Comment les appréhender ?

Ce qui est intriguant c’est que nos objets ont un pied dans l’histoire et un pied dans les sciences de la matière. Ils peuvent donc être abordés tant avec les méthodologies des sciences humaines qu’avec celles des sciences de la nature ! Par exemple, des textiles archéologiques peuvent être appréhendés à travers l’histoire du costume ou celle du tissage, comme à partir de leur composition physico-chimique, de leur structure ou de leur morphologie. L’ensemble des gestes requis pour pouvoir fabriquer un objet, l’utiliser, s’en débarrasser, le recycler, etc., ce que les archéologues appellent la « chaîne opératoire », laisse des traces physiques dans le matériau.
Nous avons regardé comment des collectifs scientifiques – associant chimie, histoire et histoire de l’art, archéologie, paléontologie, sciences des données – développaient des recherches sur les objets du patrimoine. Les questions d’hétérogénéité, altérabilité, singularité… sont souvent présentées négativement, comme des obstacles à leur compréhension mais nous montrons qu’elles sont aussi les voies d’entrée les plus fructueuses pour les étudier et les comparer. Par exemple, l’usure va entrainer des modifications de la matière à multi-échelle et nous devons optimiser des approches analytiques et mathématiques pour mieux lire comment cette information s’inscrit dans la matière.

Que cherchez-vous dans un matériau ancien ?

Les modalités de mise en œuvre des méthodes sont parfois aussi importantes que les méthodes elles-mêmes. Pour ces informations multi-échelles, ce qui compte c’est aussi la forme, donc le contraste en imagerie. Il peut arriver qu’on ne soit pas en mesure d’identifier quel est le composé chimique présent en tel endroit de l’objet mais par contre de distinguer une forme. Cette forme donne parfois encore plus d’informations que la composition chimique locale. C’est ce que nous avons montré en étudiant une amulette métallique entièrement corrodée des débuts de la fonte à la cire perdue, dont le métal entièrement corrodé avait gardé la trace fossile d’une étape-clé de la solidification, révélée par imagerie de luminescence. Ceci nous a permis par la suite d’en déduire les conditions de fabrication, que l’on pensait totalement perdues.

Actuellement, nous travaillons au PPSM sur des matériaux d'étude du peintre contemporain Simon Hantaï. Nous cherchons notamment à y détecter des signaux faibles, signatures de certains gestes. Ce que l’on détecte, est-ce une simple poussière prise dans la peinture ou est-ce un indice-clé sur la composition de l'œuvre et le geste artistique ? Ce qui est compliqué c'est que nous pouvons être aveuglés par les composés majoritaires dans des grands aplats de couleur. Nous adaptons donc des approches mathématiques de traitement des images avec le Centre Borelli pour nous focaliser sur de petites quantités localisées. Avec Agnès Desolneux, directrice de recherche CNRS au Centre Borelli, nous travaillons sur des questions de classification ou d'analyse statistique des images.

Vous avez beaucoup employé les sources lumineuses synchrotron. Qu’ont-elles apporté à l’étude des matériaux anciens ?

Ce sont des sources de lumière intenses, notamment dans la gamme des rayons X, qui permettent de faire à la fois de l’imagerie à de multiples échelles, et en tout point de l’image d’accéder à des signatures de constituants en teneur très variables, jusqu’aux traces. L’analyse statistique de ces images spectrales nous permet de sonder un matériau ou un composé particulier au sein d’un mélange complexe. C’est la capacité d’adresser ces grandes caractéristiques qui font pour nous l’intérêt des méthodes synchrotron.

Est-il encore possible de créer de nouvelles techniques ?

C’est assez surprenant mais oui. Dans ses travaux de thèse, Rafaella Georgiou, et l’équipe de recherche qui a travaillé avec elle, ont fait preuve d’une grande créativité méthodologique. Rafaella a mis en place des approches analytiques Raman de rayons X qui permettent d’aller regarder la composition de systèmes organiques en 3D. Les matériaux du patrimoine nous incitent à la créativité en nous fixant des jeux de contraintes strictes et cohérentes.

Qu’attendez-vous des nouvelles approches ? Quelles sont selon vous les nouvelles directions de recherche prometteuses dans ce domaine ?

J’attends beaucoup du rapprochement de l’instrumentation physique et des mathématiques. Avoir des approches mathématiques qui permettent de tirer le maximum d’informations de ces matériaux est un véritable enjeu. Quand on étudie ces matériaux, on peut se poser la question suivante : quelle est la part d’information que l’on n’arrive pas à lire dans nos systèmes mais qui est là, voire ce qui n’est pas connu et dont on ne sait même pas qu’il existe ? Une des voies d’approche serait de se redonner des capacités d’exploration et d’élargissement des méthodes d’expérimentation. Notre papier soulève aussi cette question essentielle de formation des jeunes chimistes à l’exploration de matériaux complexes.

* Les scientifiques qui ont participé à cet article scientifique :
Loïc Bertrand, docteur en chimie et physico-chimiste au PPSM (ENS Paris-Saclay/CNRS), a fondé le laboratoire IPANEMA avant de rejoindre l’Université Paris-Saclay et le PPSM à l’ENS Paris-Saclay. Il est coordinateur du Domaine d’intérêt majeur sur les matériaux anciens et patrimoniaux (Région Île-de-France).
Mathieu Thoury, ingénieur en optique, consacre ses recherches depuis une dizaine d’années à l’étude des matériaux du patrimoine culturel et à la paléontologie, Pierre Gueriau est un paléontologue dont les recherches portent sur le décryptage des mécanismes de fossilisation, Etienne Anheim est directeur d’étude en histoire médiévale à l’École des Hautes études en sciences sociales (EHESS) et épistémologue, et Serge Cohen, mathématicien et chercheur au laboratoire IPANEMA. Il s’est engagé dans des activités de recherche dans les matériaux anciens depuis 2007 avec comme spécialité l’analyse statistique des images spectrales.