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RÉSUMÉ
Les techniques de spectroscopie d'absorption X (XANES et EXAFS) sont de plus en plus utilisées pour l'analyse des matériaux anciens et artistiques. Cet article fait une présentation générale des différents objets et matériaux étudiés à l'aide de ces méthodes. Les matériaux amorphes (verres et céramiques) ont été les premiers à bénéficier de ces nouveaux outils. Ensuite, les exemples se sont diversifiés, allant des métaux aux bois, en passant par les pigments. Les avantages de ces techniques sont illustrés, ainsi que des développements instrumentaux récents offrant à ces outils de nouvelles capacités.
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Marine COTTE : HDR en chimie, Docteur en chimie de l'université Pierre et Marie Curie, Agrégée de chimie - Chargée de recherche détachée du CNRS, LAMS (laboratoire d'Archéologie Moléculaire et Structurale) UMR-8220 - Chef du groupe imagerie et responsable de la ligne de lumière ID21, au synchrotron européen de Grenoble (European Synchrotron Radiation Facility)
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Émeline POUYET : Étudiante en thèse à l'université Joseph Fourier, Grenoble, au synchrotron européen de Grenoble (European Synchrotron Radiation Facility)
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Marie RADEPONT : Étudiante en thèse à l'université d'Anvers et l'université Pierre et Marie Curie, Paris VI, LAMS (laboratoire d"Archéologie Moléculaire et Structurale) UMR-8220
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Jean SUSINI : Docteur en chimie-physique de l'université Pierre et Marie Curie - Directeur de la Division Instrumentation au synchrotron européen de Grenoble (European Synchrotron Radiation Facility)
INTRODUCTION
Les techniques de spectroscopie d'absorption X (XANES et EXAFS) sont de plus en plus utilisées pour l'analyse des matériaux anciens et artistiques. Cet article fait une présentation générale des différents objets et matériaux étudiés à l'aide de ces méthodes. Les matériaux amorphes (verres et céramiques) ont été les premiers à bénéficier de ces nouveaux outils. Ensuite, les exemples se sont diversifiés, allant des métaux aux bois, en passant par les pigments. Les avantages de ces techniques sont illustrés, ainsi que des développements instrumentaux récents offrant à ces outils de nouvelles capacités.
X-ray absorption spectroscopy techniques (XANES and EXAFS) are increasingly used for the analysis of ancient and artistic materials. This article gives a wide view of the different objects and materials that can be analysed with these methods. Amorphous materials (such as glass and ceramics) were the first to benefit from these new tools. Then, various other materials, from metals to woods, through pigments, were also analysed similarly. The advantages of these techniques are presented as well as recent instrumental developments offering new capabilities to these methods.
spectroscopie d'absorption X ; XANES ; EXAFS ; matériaux du patrimoine ; synchrotron ; matériaux artistiques
X-ray absorption spectroscopy, XANES ; EXAFS ; cultural heritage ; synchrotron ; artistic material
Domaine : Techniques d'analyses appliquées aux œuvres d'art
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Spectroscopie d'absorption X (XANES et EXAFS)
Domaines d'application : Matériaux du patrimoine
Principaux acteurs français : Synchrotron français SOLEIL et synchrotron européen ESRF
Pôles de compétitivité :
Centres de compétence :
Industriels :
Autres acteurs dans le monde : tous les synchrotrons dans le monde, avec une forte activité en Allemagne (BESSY, DESY) et aux États-Unis (SSRL, APS, ALS).
Contact : [email protected]
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2. Principes et pratiques des méthodes de spectroscopie d'absorption X
2.1 Principes
Nous présentons ici les principes de base des méthodes XAS. Cette section se limite à une introduction générale et le lecteur souhaitant approfondir ces notions, notamment sur le plan théorique, pourra se référer à l'article [P 2 698].
Par principe, la spectroscopie d'absorption X consiste à mesurer la variation du coefficient d'absorption μ d'un élément cible dans une matrice, en fonction de l'énergie E des rayons X incidents, selon la loi de Beer-Lambert :
où :
- I0 :
- intensité des rayons X incidents,
- I :
- intensité des rayons X transmis,
- x :
- longueur du trajet optique dans le matériau analysé,
- μ :
- coefficient linéique d'absorption.
Comme l'a observé pour la première fois en 1913 Maurice de Broglie, ces spectres d'absorption se caractérisent par des variations abruptes dites « seuil d'absorption », dont la valeur correspond à l'énergie nécessaire pour arracher un électron de cœur de l'atome. Si le photoélectron provient du niveau 1s, on parlera de seuil K. S'il provient d'un niveau 2s ou 2p, on parlera de seuil L, ainsi de suite pour n = 3, 4… avec les seuils M, N… Ces énergies de seuil étant spécifiques d'un élément donné, la mesure est par nature sélective.
En 1920, Hertz, puis plus tard en 1931 Krönig, montrèrent que ces seuils d'absorption ont une structure fine due à des oscillations d'intensité liées à la diffusion...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERTRAND (L.), COTTE (M.), STAMPANONI (M.), THOURY (M.), MARONE (F.), SCHÖDERG (S.) - * - Development in synchrotron studies of ancient and historical materials.
-
(2) - COTTE (M.), SUSINI (J.), DIK (J.), JANSSENS (K.) - Synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy for art conservation : looking back and looking forwards. - Accounts of Chemical Research, 43(6), p. 705-714 (2010).
-
(3) - SCHOFIELD (P.F.), CRESSEY (G.), WREN HOWARD (W.), HENDERSON (C.M.B.) - Origin of color in iron and manganese containing glasses investigated by synchrotron radiation. - Glass technology, 36(3), p. 89-94 (1995).
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(4) - NAKAI (I.), MATSUNAGA (M.), ADACHI (M.), HIDAKA (K.I.) - Application of XAFS in archaeology. - J. Phys. IV, 7(2), p. 1033-1034 (1997).
-
(5) - ARLETTI (R.), VEZZALINI (G.), QUARTIERI (S.), FERRARI (D.), MERLINI (M.), COTTE (M.) - Polychrome glass from Etruscan sites : First non-destructive characterization with synchrotron μXRF, μXANES and XRPD. - Applied Physics A, 92, p. 127-135 (2008).
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