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Schéma d’appareillage chromato
Schéma d’appareillage spectro
Etude de matières picturales : Les Rois Mages de Gustave Moreau


Analyse organique

Une section du laboratoire est consacrée à la caractérisation des matériaux organiques. Ces matières, dont la base est constituée d'un squelette hydrogénocarboné (carbone et hydrogène) ne peuvent pas être différentiées par leur composition élémentaire contrairement aux minéraux. Le laboratoire possède plusieurs techniques adaptées à la caractérisation des structures organiques : spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF), donnant accès, via les vibrations moléculaires, aux liaisons et groupements chimiques caractéristiques d'une molécule ; chromatographie en phase gazeuse et chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CPG/MS) permettant l'identification de la structure d'une molécule.
Les applications dans les domaines archéologique et artistique sont très diverses : il peut s'agir d'identifier des résidus piégés dans les parois de poteries préhistoriques, études permettant de comprendre la fonction de ces pots et leur utilisation; pour les œuvres peintes, les analyses permettent de connaître leur mode de réalisation (avec quelle matière l'objet est peint ?) et leurs particularités techniques (comment sont préparées et superposées les couches ?) ce qui permet de proposer des conditions de conservation appropriées. On peut également être amené à explorer l'histoire d'un objet et des interventions qu'il a pu subir au cours du temps (cette partie est-elle originale, ou s'agit-il d'une restauration ancienne ?), ou encore tenter de résoudre des problèmes de conservation qui se posent au jour le jour dans les musées (pourquoi ce vernis jaunit-il, blanchit-il ?). Au delà des recherches historiques et artistiques, les matières organiques, le plus souvent chimiquement plus fragiles que les minéraux, posent de nombreuses questions touchant à la conservation et la restauration du patrimoine.


Les matériaux organiques rencontrés sur les œuvres

A partir du XIXe siècle, et surtout au XXe siècle, l'industrie chimique a proposé différents matériaux synthétiques aux artistes : pigments, peintures, plastiques, etc. Avant cela, les matériaux organiques utilisés par les artistes étaient des matières naturelles d'une extrême variété : huiles siccatives, cires animales ou végétales, exsudats d'arbres à gomme ou à résine, protéines animales. La plupart de ces matériaux est toujours utilisée de nos jours, malgré la concurrence des produits synthétiques. Ces matériaux naturels ont une constitution chimique complexe : par exemple, un exsudat résineux d'arbre, communément employé pour fabriquer des vernis à tableaux, contient plusieurs dizaines de molécules différentes... Et il faut garder à l'esprit que les artistes employaient peu les matériaux purs, mais le plus souvent des mélanges, acquis par leur expérience ou transmis par des recettes. L'étude des matières organiques anciennes ne peut se faire lorsque ces molécules sont intimement mélangées : pour pouvoir caractériser leur structure, le scientifique a d'abord besoin de les séparer.




 

injection du micro-echantillon
dans le chromatographe
en phase gazeuse
© C2RMF

Qu'est-ce que la chromatographie en phase gazeuse ?

La chromatographie en phase gazeuse est une méthode de séparation des constituants moléculaires d'un mélange ; elle est donc bien adaptée à l'étude des matériaux anciens constituant les œuvres, qui sont le plus souvent des mélanges complexes.

En suivant sur le schéma d'appareillage, voyez comment s'effectue la séparation chromatographique.

Pour identifier un matériau inconnu, on compare son chromatogramme avec celui de matériaux de référence analysés dans les mêmes conditions : si tous les pics chromatographiques coïncident, on a de bonnes chances d'être en présence du même matériau. Mais la difficulté s'accroît lorsqu'on ne parvient pas à identifier l'empreinte obtenue ou lorsqu'on est en présence de mélanges complexes.
La chromatographie ne permet pas de connaître la nature des molécules séparées : c'est pourquoi on utilise souvent, à la place d'un simple détecteur en sortie de colonne, un second appareillage qui apporte des informations supplémentaires.


Qu'est-ce que la spectrométrie de masse couplée à la chromatographie en phase gazeuse ?

En couplage avec la chromatographie, la spectrométrie de masse est utilisée comme méthode d'analyse structurale des molécules organiques. Cette méthode apporte des informations sur la structure moléculaire de chaque composant sortant de la colonne, permettant ainsi son identification.

Voyez sur le schéma d'appareillage, comment s'obtient un spectre de masse dans une trappe à ions.

Lorsque l'on opère dans des conditions expérimentales toujours identiques et bien définies, une molécule ionisée se fragmente dans le spectromètre toujours de manière identique. Sa fragmentation est en étroite relation avec sa structure. Ainsi, grâce à des banques de spectres et une recherche automatisée, on peut identifier une molécule inconnue grâce à son spectre de masse.




Appareil de chromatographie
en phase gazeuse couplée à un
spectromètre de masse
© C2RMF

Complexité et spécificités des analyses de matières organiques anciennes.

Si l'analyse proprement dite des matières organiques ne semble pas à première vue poser de problèmes majeurs, la préparation des échantillons est parfois délicate et l'interprétation des résultats souvent problématique.
Les matériaux artistiques ont la particularité d'appartenir à des classes chimiques très diverses : corps gras, corps résineux, protéines, polysaccharides... Or, l'analyse par chromatographie d'un acide gras, d'un acide aminé ou d'un sucre ne peut être menée avec le même protocole analytique : la préparation de l'échantillon en laboratoire est spécifique de chaque famille chimique, et les conditions d'analyse chromatographique sont différentes. Il est rarement possible de multiplier les analyses sur un même échantillon étant donnée sa taille très réduite : le plus souvent, le volume d'un prélèvement n'excède pas une tête d'épingle.
Les échantillons provenant de matériaux artistiques sont très rarement des composés purs : matières élaborées, ils contiennent des composants minéraux, tels des pigments, dont la présence peut perturber les résultats analytiques.
Les matières organiques sont fragiles : sensibles à l'oxydation, c'est-à-dire au vieillissement par la lumière ou la chaleur, leur composition chimique se modifie sensiblement au fil du temps. Ce type de vieillissement est par exemple responsable du jaunissement des vernis des tableaux à base de résines naturelles. Ces modifications de structure chimique peuvent rendre l'identification des matériaux anciens difficile : en effet, on ne peut utiliser des matériaux récents comme références pour l'identification des matières vieillies.
Pour ces différentes raisons, l'analyste est confronté à des préparations microchimiques délicates et des analyses en limite des possibilités de détection de son appareillage. Il doit, pour identifier des matières organiques anciennes, constituer sa propre base de références à partir de matériaux provenant de collections anciennes ou de matières récentes vieillies artificiellement.





G. Moreau, Les Rois Mages, Musée Gustave Moreau, Paris, (2m90 x 2m82).
© C2RMF, O. Guillon

Exemples d'application

Etude de matières picturales : Les Rois Mages de Gustave Moreau.

Etude de la chimie des substances naturelles archéologiques





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