Jaunissement de la Pierre par laser, origines et remèdes

  • Doctorant : Marie Godet
  • Ecole Doctorale : ED n°227, Muséum national d’Histoire naturelle (MNHN) - CRC - Société SILLTECH (CIFRE)
  • Pôle(s) scientifique(s) : Pierre

Sujet et description

Financement : thèse CIFRE (société SILLTECH)

Le nettoyage laser Nd:YAG Q-switched (1064 nm) confère souvent aux surfaces nettoyées un aspect plus jaune que les autres techniques de nettoyage. Cet effet jaune peut conduire à l’obtention de contrastes de couleur inesthétiques si différentes techniques de nettoyage sont utilisées sur un même ensemble architectural, comme c’est le cas par exemple pour le portail des Valois de la basilique Saint-Denis près de Paris. Une des hypothèses émises pour expliquer le phénomène est que le jaunissement laser serait lié à la présence de résidus d’irradiation nanométriques formés par interaction du faisceau laser avec la salissure, en particulier les croûtes noires gypseuses communément observées sur les monuments en pierre. Dans le cadre de cette thèse, une méthodologie analytique multi-échelle allant jusqu’à l’échelle nanométrique a été développée pour observer et caractériser les composés néoformés responsables de la coloration jaune. Des éprouvettes de croûtes modèles à base d’hématite et de croûtes reconstituées à partir de croûte noire naturelle ont été élaborées. La croûte noire naturelle a été caractérisée pour déterminer les composés susceptibles de réagir au faisceau laser et donc de contribuer au jaunissement. Des oxydes de fer (hématite, magnétite, maghémite) et des cendres volantes silico-alumineuses issues de la combustion du charbon ont ainsi pu être mis en évidence. La nature chimique et structurale des produits de l’irradiation laser des éprouvettes a ensuite été examinée à l’aide d’un panel de techniques incluant entre autres la microscopie électronique à transmission (MET) couplée à la diffraction électronique et aux spectroscopies de rayons X par dispersion d’énergie (EDX) et de perte d’énergie des électrons (EELS). Des nanostructures cristallisées sous forme de nano-sphères et de nano-résidus ont ainsi pu être observées. La caractérisation de la composition chimique à l’échelle nanométrique a permis de révéler la présence de fer dans toutes les nanostructures. Une étude approfondie de la couleur a en outre permis de relier les propriétés colorimétriques du processus de jaunissement à la nature des nano-composés néoformés par irradiation laser. D’autre part, le portail des Valois de la basilique Saint-Denis a été le sujet d’une étude de cas qui est venue complémenter la recherche tout en ancrant l’étude dans la réalité du monde de la conservation des monuments historiques. Enfin des essais de remédiation ont démontré les potentialités de l’utilisation d’un rayonnement UV pour atténuer ou ne pas produire de jaunissement. In fine, ce travail a permis de démontrer que le phénomène de jaunissement laser observé à l’échelle macroscopique est intimement lié à des transformations de matière à l‘échelle nanométrique, induites par l’interaction du rayonnement laser avec les oxydes de fer et les cendres volantes présents dans les encrassements.

Direction : Christine ANDRAUD (CRCC)

Encadrement : Véronique VERGÈS-BELMIN (LRMH)

Durée : octobre 2014 - novembre 2017

Soutenance : 7 novembre 2017 [présentation audiovisuelle accessible sur le site]