PUMA
La section scientifique « patrimoine culturel et naturel » regroupe des scientifiques de SOLEIL et d’IPANEMA pour échanger des connaissances et des expériences sur des outils méthodologiques et analytiques utilisant le rayonnement synchrotron pour l’étude de matériaux anciens. Elle facilite le lien entre les lignes de lumière et les laboratoires et groupes supports à SOLEIL et, à l’extérieur, entre SOLEIL et les réseaux et infrastructures de recherche dédiés aux sciences du patrimoine.
L’activité de recherche de cette section correspond aux domaines suivants : archéométrie, histoire de l’art, altération-conservation, paléontologie et paléoenvironnement-paléoclimat. Étant donné les propriétés communes des matériaux anciens de ces différents domaines (à valeur culturelle, rares, précieux, non reproductibles, hétérogènes et souvent inconnus), les projets de recherche correspondants offrent également l'occasion d'étudier les effets des techniques d'analyse et les moyens d'améliorer notre méthodologie d’analyse afin de préserver les échantillons (par exemple, surveillance des dommages causés par les faisceaux de rayonnement synchrotron, analyse statistique de l'imagerie afin de réduire la dose de rayonnement).
La section facilite le lien entre SOLEIL et la communauté scientifique du patrimoine, en étroite collaboration avec le laboratoire IPANEMA localisé sur le site de SOLEIL mais aussi par le biais de réseaux de recherche locaux, nationaux et internationaux (DIM PAMIR, CAI-RN) ou d'infrastructures (FSP, E-RIHS). Elle participe à la diffusion des résultats de recherche grâce à des séminaires internes et externes et dans des conférences.
Lignes de lumière et laboratoires de la section
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Laboratoires : Biologie-microfluidique, Chimie, IPANEMA, Matériaux
Groupe support : Réduction et d'Analyse des Données, Détecteurs
Contact
Pour toute demande d'informations générales, veuillez utiliser notre adresse e-mail : heritage@synchrotron-soleil.fr
Thématiques scientifiques
- Altération/conservation : Les objets anciens sont en constante évolution. Ils sont soumis à des processus d'altération qui modifient leur apparence et rendent leur interprétation difficile. Parmi les exemples les plus connus, on peut citer la décoloration ou le changement de couleur des pigments, qui modifient l'impression donnée par les peintures, la formation de rouille, qui peut entraîner la destruction complète des objets, ou la dégradation de fossiles calcaires microscopiques due à la présence de polluants acides (dégradation de Byne). Les sciences de la conservation travaillent donc dans deux directions : comprendre les processus passés qui ont affecté les objets et prévenir les changements futurs afin de préserver les objets. Une fois que les processus de dégradation sont mieux compris, la restauration intervient pour préserver ou atténuer les changements observés. Le défi expérimental consiste à pouvoir suivre, déterminer ces processus physico-chimiques et proposer/tester des solutions techniques pour y remédier.
- Archéométrie : L'étude des objets anciens et le déchiffrage de leur provenance et des techniques de fabrication utilisées permettent aux chercheurs d'obtenir des informations précieuses sur l'organisation des sociétés anciennes et la circulation des marchandises au cours des périodes primitives. Chaque transformation matérielle nécessaire à l'obtention du produit final correspond à un processus physico-chimique ou mécanique qui doit être déterminé.
Les défis expérimentaux concernent le développement technique permettant d'extraire des « indices » des artefacts anciens.
- Histoire de l’art : L'objectif est de révéler les techniques et les intentions des artistes dans le cadre de l'étude de la fabrique de l'art, des différents ateliers, afin de déterminer les échanges, la transmission et la circulation des idées et des techniques. Chaque étape de préparation implique une modification de l'utilisation et des propriétés des composants. Toutes ces connaissances sont cruciales dans la conservation/restauration des œuvres. Le défi expérimental consiste à déterminer les recettes anciennes afin de révéler les techniques des artistes.
- Paléontologie : Les fossiles quelle que soit leur taille (du macro au nanoscopique), constituent de précieuses archives de la vie passée. Ils renseignent non seulement sur l’évolution des organismes, mais aussi sur les environnements dans lesquels ils vivaient et sur certains aspects de leur fonctionnement. Grâce aux techniques synchrotron, il devient possible de :
- visualiser tous les traits anatomiques préservés, y compris les structures internes, les restes encore enfouis dans les sédiments, et les morphologies en surface difficilement détectables avec des techniques de laboratoire traditionnelles
- caractériser spatialement les compositions à la fois organique (restes de molécules) et inorganique (minéralogie, éléments traces) des fossiles et des sédiments, qui constituent une riche source d'informations sur la biologie des organismes éteints, les mécanismes de fossilisation et leurs biais, et permettent de distinguer les véritables traces de vie des formes produites par des processus abiotiques. Par ailleurs, ces données jouent un rôle clé dans l’identification de biosignatures, sur Terre comme dans la recherche de vie sur Mars.
- Paléoenvironnement/paléoclimat : Les sédiments, les roches et les fossiles renferment des informations sur les environnements et les climats dans lesquels ils se sont formés, constituant ainsi des archives qui permettent de retracer l’évolution du climat et des grands événements de l'histoire de la Terre. Leur étude aide entre autres à mieux comprendre comment l’oxygénation progressive de la planète a transformé les environnements de surface et accompagné l’évolution de la vie, à explorer les conditions chimiques de la Terre primitive et le rôle qu’ont pu jouer certains éléments dans les premiers processus du vivant, ou encore à reconstituer les environnements dans lesquels vivaient les organismes passés. Les méthodes synchrotron permettent en particulier d’identifier de nouveaux indicateurs ("proxys") paléoenvironnementaux, notamment basés sur des éléments métalliques, et de tester la validité de ceux couramment utilisés en laboratoire.
Techniques d’analyse proposées par la section
- XRF, XAS, XRD, XEOL, X-ray Raman
- Micro-Tomographie à rayons X, imagerie par diffraction cohérente (ptychographie)
- Imagerie UV-visible-IR, spectroscopie UV-visible, micro-spectroscopie IR, STXM, XPEEM
La nouvelle édition de nos Highlights rassemble 41 faits marquants sélectionnés parmi les quelque 700 articles, publiés en 2025, issus des recherches menées sur les lignes de lumière de SOLEIL, mais également au sein de toutes les équipes du synchrotron qui permettent aux scientifiques d’utiliser ces lignes.
Mapping the toxic threat: unveiling heavy and trace metal presence in marine plastic pellets
Synchrotron data reveal nautiloid characters in Pohlsepia mazonensis, refuting a Palaeozoic origin for octobrachians
Atomic spectrometry update: review of advances in the analysis of clinical and biological materials, foods and beverages
Redistribution of uranium and co-occurring metals from mining-inherited deposits recorded in a wetland
Une équipe internationale comprenant des scientifiques de l'Institut IPANEMA et de la ligne de lumière PUMA a révélé qu’un fossile de 300 millions d'années que l’on pensait être la plus ancienne pieuvre connue est en réalité un animal bien différent : un nautiloïde.
Le champ d'application de cette section est très vaste, s'étendant du noyau terrestre aux confins de l'Univers, en passant par la zone critique et l'atmosphère, avec des recherches menées sur les deux tiers de l’ensemble des lignes de lumière SOLEIL, grâce à un large éventail de techniques dédiées à l'étude de tous les états de la matière : de l'état solide dur aux liquides, en passant par les aérosols et la phase gazeuse.
La section « Environnement et géosciences » est divisée en deux sous-sections :
La sous-section « Physico-chimie de l'atmosphère et de l'univers » a pour objectif d'étudier les objets et les diverses interactions entre les photons et la matière, qui se produisent principalement sur de la matière diluée, à toutes les échelles dans l'univers, des nuages moléculaires interstellaires aux (proto-) étoiles, en passant par les systèmes stellaires et les atmosphères planétaires, y compris celle de la Terre. Plus précisément, en ce qui concerne les sciences spatiales, en utilisant des photons de la gamme des infrarouges lointains au VUV, nous souhaitons étudier les structures électroniques et moléculaires ainsi que la réactivité de diverses espèces isolées, neutres ou ionisées telles que les radicaux, les molécules froides, les molécules prébiotiques et riches en carbone comme les HAP et les espèces apparentées, en interaction étroite avec les données des télescopes et la modélisation. Les photons VUV et X sont également utilisés pour reproduire les processus photophysiques/photochimiques spatiaux qui ont façonné notre univers, depuis la naissance des premières étoiles jusqu'à l'origine de la vie sur la Terre primitive. En ce qui concerne les études de l'atmosphère terrestre, les aspects cruciaux portent sur la compréhension quantitative de l'effet de serre et de l'appauvrissement de la couche d'ozone, grâce à la spectroscopie à haute résolution sur de petites molécules telles que les hydrocarbures halogénés, ainsi que sur l'étude des processus d'oxydation et une meilleure compréhension des divers processus de combustion pouvant conduire à l'utilisation de combustibles plus propres.
La sous-section « Terre, océans et sciences planétaires : du noyau à l'anthroposphère » couvre des sujets de géosciences, principalement liés à la matière condensée : de l'origine, l'histoire et la structure des planètes à l'étude des roches ignées et des processus volcaniques, en passant par la mécanique des roches et les processus complexes de la zone critique. Nos installations expérimentales peuvent notamment être utilisées pour mieux comprendre la formation et l'évolution du système solaire et des corps telluriques en produisant des reconstructions 3D détaillées de grains d'astéroïdes récupérés lors de missions spatiales, en combinant la tomographie par rayons X et la tomographie par FTIR. La structure cristalline des solides ou la structure et la densité de la matière fondue peuvent être mesurées in situ dans des conditions de pression et de température extrêmes afin de mieux contraindre les modèles minéralogiques de l'intérieur des planètes, à l'aide de la diffraction des rayons X et de l'imagerie. Les propriétés physiques de ces matériaux, telles que la compressibilité, la dilatation thermique, la fusion, la viscosité, etc. peuvent être mesurées et comparées aux données géophysiques. Quant aux processus dynamiques et complexes qui prévalent dans la zone critique, tels que les pollutions et les interactions biosphère / minéraux, leur compréhension nécessite un travail multimodal à plusieurs échelles, de l'échelle moléculaire (spéciation locale des métaux) à l'aide de la spectroscopie d'absorption des rayons X, à l'échelle nanométrique à l'aide de la spectro-microscopie avec des rayons X mous, du nano-balayage, de la ptychographie ou de l'imagerie plein champ (cartographie chimique, morphologie), pour aboutir enfin aux échelles micro et macro.
Lignes de lumière et laboratoires de la section
Contact
Responsable de la sous-section « Sciences de la Terre, des océans et des planètes » :
Nicolas Guignot (nicolas.guignot@synchrotron-soleil.fr)
Responsable de la sous-section « Physico-chimie de l'atmosphère et de l'univers » :
Laurent Nahon (laurent.nahon@synchrotron-soleil.fr)
Adresse e-mail générale dédiée : geo@synchrotron-soleil.fr
Thématiques scientifiques
Pour la sous-section « Chimie physique de l'atmosphère et de l'univers » :
- Chimie atmosphérique
- Processus d'oxydation et de combustion
- Physico-chimie de l'atmosphère planétaire
- Milieu interstellaire : identification des espèces et photodynamique
- Origine de la vie et de la matière organique.
La sous-section « Sciences de la Terre, des océans et des planètes : du noyau terrestre à l'anthroposphère » :
- Physique minérale –Profondeurs de la Terre et des planètes
- Mécanique des roches
- Volcanologie
- Biogéosciences
- Processus à la surface et sous la surface des planètes – y compris les sciences des océans
- Paléoenvironnements
- Paléontologie (partagée avec la section scientifique « Patrimoine culturel & naturel »)
Techniques d’analyse proposées par la section
- Spectroscopie-microscopie dans le proche et moyen infrarouge sur des micrométéorites et échantillons ramenés par des missions spatiales dans le système solaire.
- Spectroscopie d'absorption haute résolution dans l'infrarouge lointain et moyen sur des espèces en phase gazeuse diluée : espèces stables (couche électronique fermée) et espèces instables (radicaux et ions).
- Spectroscopie d'absorption haute résolution dans le VUV sur des espèces en phase gazeuse diluée : espèces stables (couche électronique fermée) et espèces instables (radicaux et ions).
- Spectroscopie photoélectronique résolue en masse (par i2PEPICO) sur les espèces stables et les radicaux : spectroscopie, processus de photoionisation/fragmentation.
- Oxydation et analyse chimique des aérosols atmosphériques par i2PEPICO.
- Spectroscopie d'action VUV sur ions piégés.
- Processus asymétriques induits par photons VUV sur films minces, glaces et en phase gazeuse (origine de l'homochiralité)
- ARPES (VUV) sur les aérosols atmosphériques
- XPS (rayons X mous) sur les aérosols atmosphériques
- XAS à différentes échelles sur de nombreux géomatériaux différents, notamment les sols, les liquides...
- XRD, XRF adaptés à de nombreux configurations/échantillons. Des reconstructions 3D par tomodensitométrie sont également possibles (avec certaines limitations).
- XEOL. Associé à la XRF, il fournit rapidement des informations qualitatives simultanées sur les états de valence.
- Imagerie par diffraction cohérente (ptychographie), STXM, XPEEM
- XAS, XRD, XRF et XEOL peuvent être utilisés pour des applications de cartographie, y compris à l’échelle nanométrique.
- Imagerie plein champ, y compris hyperspectrale ou à grande vitesse, à différentes échelles. Tomodensitométrie par rayons X.
- Certaines de ces techniques sont compatibles avec divers environnements d’échantillons, tels que la microfluidique, des fours, cryostats, cellules à haute pression, etc.
Les tablettes cunéiformes sont parmi les plus anciens enregistrements écrits de l'histoire humaine. Sur certaines d'entre elles, des couches de sel se sont formées au fil des millénaires sous terre, ce qui peut fissurer l'argile et recouvrir entièrement les inscriptions, les rendant illisibles. Les méthodes de restauration traditionnelles risquent parfois de causer des modifications irréversibles.
La nouvelle édition de nos Highlights rassemble 45 faits marquants sélectionnés parmi les quelque 700 articles, publiés en 2024, issus des recherches menées sur les lignes d