Nanotechnologie du XIXe siècle: nuances altérées de daguerréotypes dues à des nanoparticules

La plus ancienne photographie datée de manière fiable de personnes prise un matin de printemps en 1838 par Louis Daguerre.
agrandir / La plus ancienne photographie datée de manière fiable de personnes prise un matin de printemps en 1838 par Louis Daguerre.

Domaine public

Les daguerréotypes sont l'une des premières formes de photographie. Ils créent des images sur des plaques d'argent légèrement différentes en fonction de l'angle de vue. Par exemple, ils peuvent apparaître positifs ou négatifs, ou les couleurs peuvent passer du rouge bleuâtre au rouge brunâtre. À présent, une équipe interdisciplinaire de scientifiques a découvert que ces effets optiques inhabituels sont dus à la présence de nanoparticules métalliques dans les plaques. Ils ont décrit leurs résultats dans un nouvel essai dans le Procédure de l'Académie nationale des sciences,

Le co-auteur, Alejandro Manjavacas – maintenant à l'Université du Nouveau-Mexique à Albuquerque – a été boursier postdoctoral à l'Université Rice et a travaillé pour l'un des meilleurs groupes de recherche en nanophotonique aux États-Unis. Il y a rencontré son coauteur, Andrea Schlather, qui a travaillé au département de la recherche scientifique du Metropolitan Museum de New York. Le Met possède une précieuse collection de daguerréotypes, et ses nouveaux collègues étaient impatients de trouver de meilleurs moyens de préserver ces objets de grande valeur.

Schlather s'est tourné vers Manjavacas, suggérant qu'il pourrait s'agir d'un bon endroit pour appliquer leur expertise combinée en nanoplasmonique – un domaine décrivant en détail comment les nanoparticules interagissent avec la lumière. Pensez-y de cette façon. La lumière est une oscillation optique des photons. Le son est une vibration mécanique constituée de quasiparticules appelées phonons. Et les oscillations du plasma (gaz ionisé, quatrième état fondamental de la matière) sont constituées de plasmons. Dans la détermination des propriétés optiques des métaux, Oberflächenplasmonen joue un rôle crucial.

Toutes les photographies sont basées sur un vieil effet optique appelé camera obscura, dans lequel des images inversées de scènes ou d’objets externes se forment sur une surface blanche dans une chambre sombre. Une caméra à sténopé fonctionne de la même manière. Mais personne n'a été capable de comprendre comment réparer ces images qui passent pour la postérité, bien que le romancier du XVIIIe siècle, Charles-François Tiphaigne de la Roche, ait introduit un monde dans son roman. GiphantieCela a été possible en recouvrant une toile d'une substance humide et collante, puis en la séchant à l'obscurité pour obtenir l'image capturée. Il n'était pas si loin de l'arrivée. À la fin du XVIIIe siècle, des scientifiques avaient découvert que le chlorure d’argent et le nitrate d’argent s’assombrissaient lorsqu’ils étaient exposés, effet photochimique qui permettrait de prendre rapidement des photos.

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agrandir / Exemples de daguerréotype doré (à gauche) et non collé (à droite) créé en 1844 par Joseph-Philabert Girault de Prangey.

A. Schlather u. A.

De nos jours, on attribue généralement à Nicéphore Niépce la photographie de la première statue de juillet 1827, utilisant un matériau ayant durci à l'exposition pour prendre la photo. Cependant, cela a pris huit heures et la photo n'était que temporaire. Louis Daguerre s'est inspiré des travaux de Niepce pour trouver comment raccourcir les temps d'exposition et corriger les images en plongeant les plaques photographiques dans une solution saline. Ses «daguerréotypes», introduits en 1839, étaient à la mode depuis des décennies – Abraham Lincoln et Emily Dickinson figuraient parmi les personnalités dont les portraits ont été capturés avec le transit des Vénitiens et les horreurs de la guerre civile américaine.

Le procédé de base consistait à polir un substrat de cuivre plaqué d’argent jusqu’à ce qu’il apparaisse comme un miroir, puis à le traiter avec des vapeurs pour le rendre photosensible. La plaque a été insérée dans la caméra et exposée jusqu'à ce que l'image latente souhaitée soit enregistrée. Les vapeurs de mercure révéleraient l'image et la plaque serait rincée et séchée pour inverser la photosensibilité avant d'être placée sous verre afin de la préserver pour la postérité.

Manjavacas et Schlather ont perçu un bon point de départ pour leurs expériences visant à mieux comprendre ce qui est microscopique à l'échelle nanométrique avec cette méthode. Bien sûr, les daguerréotypes du XIXe siècle sont très fragiles et ont une grande valeur. Par conséquent, il n’a pas été possible de faire le genre d’expériences requises pour les originaux. "Nous avions besoin de quelque chose qui nous permettrait littéralement de casser des pièces", a déclaré Manjavacas.

"Les daguerréotypes s'appuient sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques pour créer une image projetée à partir d'un substrat argenté réfléchissant."

Ils ont donc fait venir le co-auteur Michael Robinson, l'un des meilleurs artistes de daguerréotype au monde, qui a rédigé sa thèse sur les techniques et l'esthétique de ce type de photographie. Robinson a été capable de produire des daguerréotypes originaux en respectant scrupuleusement les techniques du XIXe siècle, de sorte que des expériences puissent être menées sans se soucier des photographies dommageables de l’époque. Ils ont testé leurs résultats expérimentaux avec des simulations informatiques des effets électromagnétiques.

Les daguerréotypes sont fabriqués avec des plaques d’argent poli et le sel ajouté aux dernières étapes de la transformation contient des atomes d’or. Il n'est donc pas étonnant que les chercheurs aient trouvé des nanoparticules métalliques. La taille et la forme de ces nanoparticules affectent les propriétés optiques du produit final car elles déterminent les longueurs d'onde de la lumière diffusées à partir de la surface et celles qui sont absorbées, ce qui donne des teintes différentes. En particulier, le spectre de diffusion montrait un pic bleu étroit dans la région UV et un pic rouge plus large. Pour cette raison, un daguerréotype a une teinte bleuâtre vue du dessus et se change en nuances rouge brunâtre lorsque l'angle de vision augmente. Et il n'y a pas deux daguerréotypes identiques.

"Contrairement aux autres types de photographies, les daguerréotypes reposent sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques pour créer une image projetée à partir d'un substrat argenté réfléchissant", ont écrit les auteurs. "L'équilibre entre la lumière diffusée par la nanostructure et la réflexion spectaculaire sur le substrat produit des tons clairs ou sombres, le comportement des tons moyens dépendant de la densité des nanostructures."

C'est un phénomène similaire à celui responsable des couleurs changeantes d'un célèbre gobelet romain. La coupe Lycurgus, en verre dichroïque, date de 400 environ et a des couleurs différentes en fonction de la lumière. (Il tire son nom de la scène représentée à sa surface par le roi Lykurg de Thrace.) Allumez-le depuis le début et la coupe paraît verte. allumez-le par l'arrière et la couleur passe au rouge foncé. Pourquoi cela se produisit alors jusqu'à 2007, année où une équipe de scientifiques découvrit que les changements de couleur étaient dus à la présence de nanoparticules dans le verre – résultat de l'addition de or et argent broyés par des artisans romains. Ces nanoparticules modifient la façon dont les électrons de la tasse vibrent en réponse à la lumière, ce qui fait que la couleur que vous voyez se décale avec la perspective du spectateur.

"Les Romains savaient que ces sels contenaient des atomes d'or lorsqu'ils ajoutaient du sel au verre lorsque le silicium (sable) fondait", a déclaré Manjavacas. "Au cours du processus de fusion, ces atomes s'agrègent et produisent des nanoparticules, ce qui leur donne les couleurs pour fabriquer chaque vitrail." Cela ressemble à la structure en treillis précise de cristaux photoniques qui produit des couleurs éblouissantes dans la nature, comme les ailes de papillons ou d'opales.

Comme pour la coupe Lycurgus, les propriétés de couleur inhabituelles des daguerréotypes du XIXe siècle, selon Manjavacas, sont dues aux propriétés diffusantes des nanoparticules. Il existe cependant une différence cruciale: les nanoparticules sont noyées dans le verre du gobelet, tandis que dans un daguerréotype, elles reposent sur un substrat et ajoutent des réflexions qui ne se produisent pas dans un artefact tel que le gobelet de Lycurgus. "Dans notre cas, la diffusion des particules dépend fortement du substrat", a déclaré Manjavacas.

L'équipe a également constaté que lorsque la surface du daguerréotype était recouverte d'une couche d'or, les couleurs se déplaçaient davantage vers le côté rouge du spectre. Cela correspond à une astuce du 19ème siècle appelée "dorure", dans laquelle le photographe applique une solution de sel d'or à l'image pour obtenir des tons plus chauds et un contraste plus net.

Les nanoparticules plasmoniques (en particulier l'or, l'argent et le platine) sont "accordables" car leur taille et leur forme peuvent être modifiées pour optimiser les propriétés optiques du matériau métallique. C'est une fonctionnalité hautement souhaitable pour tous les types d'applications pratiques. Bien entendu, l’intérêt de Schlather réside dans la mise au point de meilleures méthodes de conservation des daguerréotypes du XIXe siècle. Par exemple, si une analyse révèle que les nanoparticules dans un artefact donné deviennent plus grandes, cela peut être dû à la lumière UV utilisée dans l'affichage. Un musée peut corriger cela pour s'assurer que sa collection ne se détériore pas davantage.

Manjavacas s’intéresse également au développement de nouvelles technologies d’impression couleur, telles que l’utilisation des propriétés plasmoniques des nanorodes en aluminium pour la fabrication de filtres colorés pour écrans plats ou la création de filigranes inviolables sur des monnaies, car le nano-aspect permet de créer des pixels de la taille la plus petite possible. , "En ce sens, les daguerréotypes peuvent être considérés comme la première réalisation de l'impression couleur plasmonique", ont écrit les auteurs. "En fait, les nouvelles propositions de fabrication de ces dispositifs ressemblent aux daguerréotypes."

DOI: PNAS, 2019. 10.1073 / pnas.1904331116 (À propos des DOI).

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