Using neutrons to protect our works of art

Utilisation des neutrons pour la protection des œuvres d'art Les œuvres d’art ne durent pas éternellement. Elles sont composés de matériaux évolutifs qui vieillissent et perdent leur aspect visuel initial par dépôt d’éléments en suspension dans l'air, par oxydation et par modification structurelle (effet des radicaux libres). Afin de renverser l'évolution de ces processus, les peintures sont périodiquement restaurées avec remplacement des anciens vernis. Il requiert le gonflement et la dissolution de la couche de polymère par des solvants qui peuvent être pénétrants et polaires. Ces solvants peuvent altérer considérablement la composition et la cohésion des matériaux originaux situés sous les couches de vernis. Il est donc urgent de mieux comprendre les processus employés dans les opérations de restauration, particulièrement lors du remplacement des vernis. Conscient de cette urgence, restaurateurs et scientifiques proposent d’utiliser les gels aqueux/solvant pour transférer seulement les quantités de solvants nécessaires à la dissolution. Les images macroscopiques obtenues avant et après application de ces gels démontrent bien l’efficacité de ce procédé. Toutefois, il apparait des lacunes dans la compréhension des phénomènes qui entre en jeu. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse. Ils visent à mieux comprendre la physique des films polymères au contact de mélanges solvant/non-solvant et solvant/gel, en suivant les mêmes processus que ceux employés dans la restauration des œuvres d’art. On a utilisé la réflexion de faisceaux de neutrons (réflectivité de neutron RN et diffusion de neutrons aux petits angles SANS), combinée à des visualisations locales (microscopie optique et AFM). La résine polymère choisie est le Laropal A81 (LA81), le solvant est l’alcool benzylique (BA) et l’hydrogel est le PemulenTR2. La RN permet d’observer in situ le comportement physique de films polymères ultraminces déposés sur des blocs de Si, pendant la cinétique de gonflement par le bon solvant puis par le mauvais solvant suivi de la dissolution/disparition du film. L’eau utilisé est le D2O (W), qui a une densité de longueur de diffusion SLD très élevée par rapport à celles du LA81 et du BA. Ceci permet de différencier par leurs contrastes les distributions spatiales du BA et du D2O. On a ainsi déterminé le SLD du LA81, puis modélisé l'épaisseur du LA81 et la rugosité des différents éléments. En utilisant ces valeurs d'épaisseur et de SLD, on a calculé les fractions volumique des différentes composants dans le film de vernis. On a discuté les variations de ces fractions de BA ϕBA et du D2O ϕW qui ont pénétré dans les films en fonction de la concentration de solvant et la température. En parallèle, un diagramme de phase ternaire utilisant les paramètre d'interaction de Flory-Huggins (F-H) a été tracé pour le système solvant/non-solvant en utilisant les résultats de NR, les mesures de viscosité intrinsèque et les mesures de turbidité. Les paramètres d'interaction ont été obtenus par calcul du diagramme de phase en utilisant un modèle de F-H. La compréhension des phénomènes a été déduite de l’analyse des spectres de RN, complétée par les observations faites en microscopie optique et AFM. L’AFM a permis d’obtenir le profil en profondeur des objets apparues dans le films en présence du mélange BA/W. Une expérience SANS sur des films épais (0.5-1.5 µm) a donné des spectres d’intensités en fonction du temps évolué. Ces spectres ont été modélisés suivant la loi de Porod. L’aire des interfaces a été tracée en fonction des valeurs de ΧLA/BA. Ces résultats ont été complétés par des mesures de QCM-D montrent la cinétique du gonflement et de la dissolution sur des heures et jours après la mise en contact avec le système solvant/non-solvant. En conclusion, nos études expérimentales associées au modèle de F-H ont permis de mieux comprendre le gonflement et la dissolution des films de LA81 épais et minces déposés sur des blocs de silicium et exposés à un mélange binaire solvant/non-solvant.