Wikipédia

Histoire de la photochimie

La photochimie, branche de la chimie qui étudie les effets chimiques de la lumière, s'est constituée progressivement à partir d'observations empiriques sur le noircissement des sels d'argent au XVIIIe siècle, avant de devenir au tournant du XXe siècle une discipline dotée de ses propres lois quantitatives, puis, plus tard, de techniques spectroscopiques permettant d'observer directement les états excités de la matière. Son histoire reste étroitement mêlée, jusqu'au milieu du XIXe siècle, à celle de la photographie naissante, qui en constitue la première grande application pratique.

Une photographie prise par un daguerréotype par Franz von Kobell et Carl August von Steinheil à Munich, en 1839, utilisant la photosensibilité des sels d'argent.

Précurseurs : la chimie des sels d'argent avant Schulze

modifier

Le nitrate d'argent était connu et utilisé depuis près d'un millénaire, notamment pour teindre en noir le bois, les fourrures ou les plumes, sans que personne, avant le début du XVIIIe siècle, ne cherche à en expliquer scientifiquement le noircissement à la lumière[1]. C'est dans ce contexte qu'intervient la découverte du médecin et polyhistor allemand Johann Heinrich Schulze.

Le XVIIIe siècle : la découverte de la photosensibilité des sels d'argent

modifier

Schulze et le « scotophore » (1717-1719)

modifier

Vers 1717, alors qu'il cherche à préparer une substance phosphorescente en mélangeant de la craie à de l'acide nitrique, Schulze observe qu'un contaminant argentique présent dans son mélange s'assombrit uniquement du côté exposé au soleil, établissant ainsi le premier que ce noircissement est dû à la lumière et non à la chaleur, comme c'était établit jusque-là. Il publie ses résultats en 1719. Cette expérience, restée sans application pratique de son vivant, est aujourd'hui reconnue par les historiens de la chimie photographique comme l'acte fondateur de la discipline[1],[2].

Beccaria et l'extension au chlorure d'argent (vers 1755)

modifier

Une trentaine d'années plus tard, le physicien italien Giovanni Battista Beccaria observe un phénomène analogue sur le chlorure d'argent, composé connue depuis le XVIe siècle mais dont les propriétés photosensibles étaient jusqu'alors restées largement ignorées[3].

Scheele et l'action différenciée du spectre solaire (1777)

modifier
Un schéma animé du fonctionnement d'un prisme.

C'est cependant le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele qui mène, en 1777, la première étude véritablement scientifique de l'action de la lumière sur le chlorure d'argent, dans son ouvrage Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer[4]. Étalant des sels d'argent sur du papier et y projetant le spectre solaire décomposé par un prisme, il établit que le noircissement n'est pas uniforme sur l'ensemble du spectre visible mais nettement plus rapide et plus marqué dans la partie bleue et violette que dans la partie rouge, ce que confirme, quelques décennies plus tard, un exposé académique consacré aux applications médicales de la photographie, qui présente cette expérience comme la première à mettre en évidence les effets différenciés des couleurs sur le chlorure d'argent[5]. Scheele établit en outre que ce sel devient insensible à la lumière une fois plongé dans une solution d'acide nitrique, et qu'il est soluble dans l'ammoniaque[4].

Ritter et la découverte de l'ultraviolet (22 février 1801)

modifier
Différentes substances fluorescentes sous rayon ultraviolet.

C'est en s'appuyant directement sur la méthode de Scheele, et sur la découverte, l'année précédente, du rayonnement infrarouge par William Herschel, que le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter apporte, le à Iéna, la preuve de l'existence d'un rayonnement invisible au-delà du violet. Étudiant le noircissement du chlorure d'argent le long du spectre solaire décomposé par un prisme, Ritter constate que la réaction se poursuit, et même s'intensifie, dans une région située au-delà de la limite visible du violet, où l'œil ne perçoit plus aucune lumière[6]. Une étude d'histoire des sciences consacrée à la réception de cette découverte par la communauté savante de l'époque montre toutefois que l'observation de Ritter, bien qu'admise comme un fait, mit du temps à être pleinement intégrée aux débats contemporains sur la nature de la lumière et de la chaleur[7].

De la découverte à l'image : la naissance de la photographie (1800-1839)

modifier
Point de vue du Gras, la première photographie permanente, par Nicéphore Niépce.

Les propriétés mises au jour par Schulze et Scheele restent, pendant près d'un siècle, cantonnées au rang de curiosités de laboratoire, sans qu'aucune image durable n'en soit tirée. Vers 1800-1802, l'Anglais Thomas Wedgwood, assisté du chimiste Humphry Davy, parvient à fixer sur du papier et du cuir enduits de sels d'argent des silhouettes plus nettes que celles obtenues par Schulze, mais toujours incapables de résister à une exposition prolongée à la lumière, faute de procédé d'arrêt de la réaction. Une revue consacrée à l'histoire de la chimie photographique souligne que cette absence de fixation demeure, pendant plusieurs décennies encore, le principal obstacle technique à la naissance d'une photographie véritablement durable[1],[2].

En 1826-1827, l'ingénieur français Nicéphore Niépce parvient à contourner cet obstacle en recourant à une substance différente, le bitume de Judée, qui durcit sous l'action de la lumière et permet d'obtenir la première image photographique permanente de l'histoire. Deux voies distinctes se développent ensuite en parallèle à partir de 1839 : en France, Louis Daguerre met au point le daguerréotype sur plaque métallique, tandis qu'en Allemagne, William Henry Fox Talbot élabore le calotype, procédé négatif-positif sur papier imbibé de chlorure d'argent[2].

Le problème de la fixation durable de l'image est définitivement résolu grâce aux travaux du chimiste et astronome britannique John Herschel : dès 1819, il établit expérimentalement que le thiosulfate de sodium (l'hyposulfite de soude) dissout les sels d'argent non exposés à la lumière, propriété qu'il communique en 1839 à Talbot et à Daguerre, qui l'adoptent tous deux pour fixer durablement leurs images[8]. C'est également dans ce mémoire de 1839, présenté devant la Royal Society, que Herschel introduit les termes mêmes de photography, positive et negative[9].

La formalisation d'une science : les lois de la photochimie au XIXe siècle

modifier

La loi de Grotthuss-Draper (1817-1841)

modifier

Le lien entre l'absorption de la lumière et l'effet chimique qu'elle produit n'est théorisé que progressivement. Le chimiste balte Theodor von Grotthuss l'énonce dès 1817 sur des bases essentiellement théoriques ; l'idée est reprise indépendamment en 1841-1843 par le chimiste américain John William Draper, à la suite de ses propres expériences sur la combinaison photochimique de l'hydrogène et du chlore, décrites dans son mémoire sur le « tithonomètre »[10]. La loi qui porte leurs deux noms énonce que seules les radiations effectivement absorbées par une espèce chimique peuvent produire une réaction photochimique, un principe considéré depuis comme la première loi fondamentale de la discipline[11],[12].

Bunsen, Roscoe et la loi de réciprocité (1855-1862)

modifier

Dans les années 1850, le chimiste allemand Robert Wilhelm Bunsen et son collègue britannique Henry Roscoe reprennent à leur tour l'étude de la réaction photochimique entre l'hydrogène et le chlore, qu'ils publient en plusieurs mémoires successifs sous le titre Photochemische Untersuchungen[13]. Leurs travaux aboutissent à l'énoncé d'une loi de réciprocité selon laquelle l'effet photochimique observé dépend du produit de l'intensité lumineuse par la durée d'exposition, et non de ces deux grandeurs prises séparément ; un mémoire académique consacré au réglage des éclairements en photobiologie montre que cette loi restera, plusieurs décennies durant, un outil de référence pour caractériser quantitativement la réponse d'un système à la lumière, bien au-delà du seul champ de la photochimie minérale[14].

La naissance de la photochimie organique et la vision de Ciamician (1867-1914)

modifier

À la charnière du XIXe siècle et du XXe siècle, la photochimie s'étend au-delà des sels métalliques pour investir la chimie organique. Un ouvrage de synthèse consacré à l'histoire de la photochimie situe dès 1867-1869 les premières observations de dimérisation photo-induite de composés organiques, notamment celle de l'anthracène en dianthracène par le chimiste allemand Carl Julius Fritzsche. C'est toutefois le chimiste italien Giacomo Ciamician, professeur à l'université de Bologne, qui donne à cette photochimie organique naissante sa véritable impulsion : entre 1900 et 1914, il publie avec son collaborateur Paul Silber une longue série de mémoires sur les effets chimiques de la lumière et réalise, en 1908, ce qui est considéré comme la première cycloaddition photo-induite jamais rapportée en chimie organique[15],[16].

Des chloroplastes dans des cellules eucaryotes photosynthétiques.

En 1912, dans un article retentissant publié dans la revue Science sous le titre The Photochemistry of the Future, Ciamician va plus loin : il y expose sa conviction qu'une civilisation future saurait reproduire artificiellement la photosynthèse végétale pour produire, grâce à l'énergie solaire directement captée par des réactions chimiques, l'essentiel de ses besoins énergétiques et de ses matières premières[17]. Une étude académique rétrospective consacrée à cette période, qualifiée de « belle époque » de la photochimie, montre que ce texte reste aujourd'hui considéré comme l'un des documents fondateurs de la chimie solaire et de la photosynthèse artificielle[16].

La loi d'équivalence photochimique et l'ère quantique (1912-1913)

modifier
Albert Einstein, à l'origine de la deuxième loi de la photochimie avec Johannes Stark.

La même année 1912 voit la formulation, indépendamment l'une de l'autre, de la seconde grande loi de la discipline par le physicien allemand Johannes Stark et par Albert Einstein, alors engagé dans ses propres travaux sur l'effet photoélectrique[15]. Selon cette loi de Stark-Einstein, dite loi d'équivalence photochimique, chaque photon absorbé par un système chimique ne peut activer qu'une seule molécule au maximum en vue d'une réaction, notion que l'on formalisera plus tard sous le terme de rendement quantique[12]. Cette approche quantique permet enfin de relier, comme on avait vainement cherché à le faire depuis des décennies, l'avancement d'une réaction photochimique à l'énergie lumineuse effectivement absorbée[11]. Le physicien allemand Otto Warburg contribue lui aussi, dès 1912, à l'étude quantitative des échanges d'énergie dans les réactions photochimiques en phase gazeuse[15].

La photochimie physique et l'étude des états excités (XXe siècle)

modifier

Le développement de la spectroscopie et de la théorie quantique permet, au cours du XXe siècle, de décrire avec précision ce qui se produit à l'échelle moléculaire lorsqu'un photon est absorbé : le passage d'un électron vers une orbitale de plus haute énergie, la formation d'un état excité, puis sa désactivation par diverses voies concurrentes[12]. Un tournant expérimental majeur survient à la fin des années 1940, lorsque les chimistes britanniques Ronald Norrish et George Porter mettent au point la photolyse éclair (flash photolysis) : en soumettant un système chimique à une impulsion lumineuse extrêmement brève, puis en enregistrant son spectre d'absorption à intervalles de temps très courts, ils parviennent, pour la première fois, à observer directement des espèces transitoires, radicaux libres et autres intermédiaires réactionnels, dont l'existence n'avait jusque-là été que supposée[18],[19]. Une rétrospective académique consacrée aux prix Nobel de chimie décernés pour l'étude de la dynamique chimique rappelle que cette méthode leur vaut, avec le biophysicien allemand Manfred Eigen, le prix Nobel de chimie 1967 « pour leurs études de réactions chimiques extrêmement rapides, réalisées en perturbant l'équilibre au moyen d'impulsions d'énergie très courtes »[20]. Porter poursuivra par la suite l'application de cette technique à l'étude des mécanismes de la photosynthèse naturelle[18].

Applications et prolongements contemporains

modifier

La compréhension fine des mécanismes photochimiques a ouvert, dans la seconde moitié du XXe siècle, plusieurs champs d'application durables. En chimie organique de synthèse, les règles de Woodward-Hoffmann, formulées en janvier 1965, expliquent pourquoi une même réaction électrocyclique peut suivre une stéréochimie opposée selon qu'elle est déclenchée par la chaleur ou par la lumière ; une étude historique détaillée de leur genèse, fondée sur les carnets de laboratoire de Roald Hoffmann et sa correspondance avec Robert Burns Woodward, retrace la mise au point de ces règles entre mai et novembre 1964, travail qui vaudra à Hoffmann le prix Nobel de chimie 1981, partagé avec Kenichi Fukui[21]. En chimie de l'atmosphère, le géophysicien britannique Sydney Chapman propose dès 1930 le mécanisme photochimique, aujourd'hui appelé cycle de Chapman, par lequel le rayonnement ultraviolet solaire dissocie les molécules de dioxygène pour former et régénérer en permanence la couche d'ozone stratosphérique ; une synthèse universitaire sur les problèmes globaux de la chimie atmosphérique présente ce mécanisme comme le fondement de toute la chimie atmosphérique moderne, ultérieurement complété par la découverte de cycles catalytiques additionnels[22]. Enfin, la vision solaire de Ciamician trouve un écho direct dans les recherches contemporaines sur la photocatalyse et la photosynthèse artificielle, qui cherchent, plus d'un siècle après son article de 1912, à convertir directement l'énergie lumineuse en liaisons chimiques utiles[16],[17].

Notes et références

modifier

Références

modifier
  1. 1 2 3 (en) S. E. Sheppard, « The chemistry of photography. I. Historical considerations », Journal of Chemical Education, vol. 4, no 3,‎ , p. 298 (DOI 10.1021/ed004p298).
  2. 1 2 3 (en) Josef Maria Eder (traduction anglaise de la quatrième édition allemande de la Geschichte der Photographie), History of Photography, New-York, Columbia University Press, (1re éd. 1891).
  3. ↑ (en) Constantina P. Hadjiantoniou-Maroulis et Apostolos J. Maroulis, « The Chemistry of Photography in Full Daylight », University Chemistry Education, Royal Society of Chemistry, vol. 4, no 1,‎ .
  4. 1 2 (de) Carl Wilhelm Scheele, Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer, Uppsala et Leipzig, .
  5. ↑ A. E. Iles, « Photography and Medicine » (discours présidentiel prononcé le à l'ouverture de la 63e session de la Bristol Medico-Legal Society).
  6. ↑ (en) J. Frercks, H. Weber et G. Wiesenfeldt, « Reception and discovery: the nature of Johann Wilhelm Ritter's invisible rays », Studies in History and Philosophy of Science Part A, vol. 40, no 2,‎ , p. 143-156 (DOI 10.1016/j.shpsa.2009.03.014).
  7. ↑ Tom Wagner, Holger Cartarius et Timo Mappes, « 225 Jahre UV‐Strahlung – Die Rekonstruktion des Ritter‐Experiments (1801) für Schule und Hochschule », CHEMKON, vol. 33,‎ , p. 107–113 (DOI 10.1002/ckon.70017, lire en ligne, consulté le ).
  8. ↑ (en) John Frederick William Herschel, « On the action of the rays of the solar spectrum on vegetable colours, and on some new photographic precesses », Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 132,‎ , p. 181-214.
  9. ↑ John Frederick William Herschel, « Note on the Art of Photography, or the Application of the Chemical Rays of Light to the Purpose of Pictorial Representation », communication à la Royal Society du 14 mars 1839 ; résumé publié dans Proceedings of the Royal Society, vol. 4, 1839, p. 131-133.
  10. ↑ (en) John William Draper, « Description of the tithonometer, an instrument to measure the chemical force of the indigo-tithonic rays », London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine, 3e série, vol. 23,‎ , p. 401-415.
  11. 1 2 Encyclopædia Universalis, « PHOTOCHIMIE | Chimie », sur Encyclopædia Universalis (consulté le ).
  12. 1 2 3 Encyclopædia Universalis, « PHOTOCHIMIE : Théorie de la photochimie | Chimie », sur Encyclopædia Universalis (consulté le ).
  13. ↑ (de) Robert Bunsen et Henry Roscoe, « Photochemische Untersuchungen », Poggendorff's Annalen der Physik und Chemie,‎ , p. 96.
  14. ↑ Henri Piéron, « La loi de Bunsen-Roscoe et le réglage des éclairements (Réponse à Selig Hecht) », L'Année psychologique, vol. 30,‎ , p. 189-195.
  15. 1 2 3 (en) Angelo Albini, Photochemistry: Past, Present and Future, Heidelberg, Springer Science+Business Media, coll. « SpringerBriefs in Molecular Science », (ISBN 978-3-662-47976-6), « The Framework of Photochemistry: The Laws ».
  16. 1 2 3 (en) Angelo Albini et Valentina Dichiarante, « The 'belle époque' of photochemistry », Photochemical & Photobiological Sciences, vol. 8,‎ , p. 248-254 (DOI 10.1039/b806756b).
  17. 1 2 (en) Giacomo Ciamician, « The Photochemistry of the Future », Science, vol. 36, no 926,‎ , p. 385-394 (DOI 10.1126/science.36.926.385).
  18. 1 2 (en-US) « Nobel Prize in Chemistry 1967 », sur NobelPrize.org (consulté le ).
  19. ↑ (en-US) « Nobel Prize in Chemistry 1967 », sur NobelPrize.org (consulté le ).
  20. ↑ (en) George B. Kauffman, « A Century of Chemical Dynamics Traced through the Nobel Prizes. 1967: Eigen, Norrish, and Porter », Journal of Chemical Education, vol. 79, no 5,‎ , p. 548.
  21. ↑ (en) Jeffrey I. Seeman, « Woodward-Hoffmann's Stereochemistry of Electrocyclic Reactions: From Day 1 to the JACS Receipt Date (May 5, 1964 to November 30, 1964) », The Journal of Organic Chemistry,‎ (DOI 10.1021/acs.joc.5b01792).
  22. ↑ Chapitre consacré au mécanisme de Chapman dans une synthèse universitaire sur la chimie atmosphérique globale, « Global Problems of Atmospheric Chemistry - The Story of Man's Impact on Atmospheric Ozone », in Perspectives in Environmental Chemistry, Springer.

Bibliographie

modifier
Ce document provient de « https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Histoire_de_la_photochimie&oldid=239720523 ».