Histoire de la Luminescence

Le XVIIème siècle : le siècle des premiers phosphores et le début de la véritable démarche scientifique

Au 17ème siècle, les croyances dans les légendes sur les pierres phosphorescentes extraordinaire s'estompent et une vision plus réaliste apparaît. Thomas Browne (1605-1681 p71) physicien et écrivain, expose son avis sur la question dans son livre « Pseudodoxia Epidemica » c'est à dire : recherche sur des erreurs communes ( Inquiries into Vulgar errors) (livre 2 chap 5 de la seconde edition publiée en 1650). Il y met en doute la croyance selon laquelle l'escarboucle brille la nuit comme un charbon ardent, citant Anselme de Boot (Anselmus Boëtius) qui n'a jamais pu observer cette propriété de l'escarboucle mais qui l'a par contre observée chez le diamant. Browne en conclut que la splendeur, la brillance de certaines pierres extraordinaires de rubis (escarboucle) ont pu faire penser à la brillance du feu (on parle aujourd'hui du feu des gemmes) et par métaphore en acquérir le nom d'escarboucle (…) La pierre de Bologne En 1612 Galilée présente la pierre de Bologne à La Galla La découverte de la pierre de Bologne amènera une fameuse controverse entre Galilée et Licetti concernant la lumière de la Lune C'est en occident la première découverte certifiée du « stockage » de la lumière par un matériau Différentes dénominations de la pierre de Bologne : Lapis Solaris, Lapis Lunaris, Lapis Lucifer, Lapis Illuminabilis, Lapis Phengis, Spongia Solis, Luna terrestris, Litheophosphorus. Le groupe scientifique autour du Comte Marsigli portait le nom de Philosophi Inquieti. Marsigli publie en 1698 un livre sur la pierre de Bologne Les cabinets de curiosités Un des livres les plus importants sur les cabinets de curiosités du XVIIème siècle est le Museum Museorum other Vollstandige Schau-Bühne publié à Frankfort sur le Main en 1704 par Michaël Bernhart Valentini (1657-1729). Il s'agit de trois volumes pour un total de 520 pages écrites en allemand. Le premier tome parle des minéraux et des métaux ; le volume deux traite des graines, racines et plantes et le troisième, des animaux. Il ne s'agit pas simplement d'une liste des objets de ces cabinets de curiosités mais surtout d'une synthèse de toutes les connaissances concernant ces objets et de références littéraires : une véritable encyclopédie d'histoire naturelle. Dans la première édition de 1704, il n'y a qu'une courte description (page 52) de la Lapis Bononiensis intitulée « Einen anderen freubden Risselstein ». La seconde édition en 1714 contient un total de 1136 pages et consacre de nombreuses pages à la luminescence, notamment des plantes , des animaux et des minéraux. Le chapitre IV « Von denen leuchtenden Blitz und brennenden Steinen » décrit les différents phosphores connus à l'époque : Phosphorus Ignius ou fulgurans ou encore pyropus (l'élément phosphore découvert par Brand), la Lapis Bononiensis (Pierre de Bologne), le phosphore de Balduin, le phosphorus Smaragdinus ou thermophosphorus et le phosphore mercuriel de Picard et Bernouilli. 4 pages en tout sont consacrées aux phosphores et sont complétées d'une planche (gravure sur bois) représentant la Pierre de Bologne. Kircher ( , ): prêtre jésuite allemand Ars Magna Lucis et umbrae (Rome 1646) L'ouvrage comporte 800 pages. Le chapitre VIII du livre 1 traite de la luminescence des pierres. Kircher parle aussi de la luminescence dans Ars Magnetica (1641) et dans Mundus Subterraneus (1664). Il signale par ailleurs qu'il a retrouvé la même pierre à Tolpha qu'à Bologne. Dans son livre de 1646, Kircher signale la luminescence de l'extrait de « Lignum Nephreticum » appelé ainsi parce que recommandé en 1565 par Nicolas Monardes (1493-1588) pour les maux de reins. Une infusion de ce bois montre différentes couleurs « en fonction de l'intensité de la lumière » dans laquelle on l'observe » dit Kircher, ce qui n'est pas exact. En fait, en lumière transmise la solution est jaune et bleue en lumière réfléchie (fluorescence). Kircher semble être le premier à avoir observé et consigné par écrit ce phénomène de fluorescence d'un liquide. Il est souvent considéré pour cette raison comme le découvreur de la fluorescence. Triboluminescence : abordé dans le livre intitulé les « Saggi » (expériences) publié en 1667 et qui constitue la somme des travaux du groupe nommé Academia del Cimente (Académie des expériences) constitué à Florence dix ans plus tôt. En 1676, C A Baldewein présente son « Phosphorus hermeticus » au Roi Charles II qui le présente lui-même à la Royal Society of London (fig 8) Elsholz en 1677 restreindra le terme phosphorus à la seule désignation de l'élément phosphore, Phosphore servant pour toutes les autres substances émettant de la lumière. Un livre remarquable (voir fig7) du 16ème siècle, de plus de 400 pages sur la luminescence, le second traité jamais écrit complètement dédicacé à ce sujet et qui fût largement copié par les écrivains qui suivirent est le livre de Thomas Bartholin (1616-1680) « De Luce Animalium » publié en 1647 à Lugduni Batavorum (Leyden). Le livre connaîtra une seconde édition en 1669 jumelé comme nous l'avons déjà dit à l'œuvre de Gesner « De Lunariis » que Bartholin a amendé sous le titre De Luce Hominum et Brutorum. Thomas Bartholin est un médecin Danois de Copenhague, issu d'une famille de savants distingués. Son père est professeur de médecine à l'université et son frère a… ???? Lui-même après avoir beaucoup voyagé en Europe devint professeur d'anatomie à l'université de Copenhague. Bartholin raconte d'ailleurs que c'est l'observation de viande de mouton luminescente sur un marché de Montpellier lors d'un de ses nombreux voyages qui l'incita à s'intéresser à ce phénomène. Il est aussi le découvreur de la double réfraction du spath d'Islande en 1669. Dans son livre Bartholin décrit tous les phénomènes luminescents connus à l'époque, imaginaires comme réels, organiques et inorganiques. . Dans le chapitre 2 du livre 1, il relate les histoires habituelles concernant la fluorescence des pierres précieuses : escarboucles, rubis, saphir… Dans le chapitre 3, il mentionne le soufre et bien sûr, la pierre de Bologne. Découverte de l'élément Phosphore proprement dit (1669) …… Différence entre l'urine des buveurs de vin et de bière et impact sur la préparation du phosphore p153 Dans la troisième partie du 17ème siècle, trois nouvelles substances synthétiques apparaissent : - le phosphore avec Brandt (1669). Kunckel, Kraft, Leibniz et Boyle chercheront à percer le secret de la fabrication de ce nouvel élément. - Le phosphorus Balduinus (Nitrate de Calcium) en 1675. - ???? Première véritable expérimentation sur la bioluminescence (1671) Robert Boyle (1627-1691) observe la disparition de la luminescence du ver luisant lorsqu'on le place sous une cloche à vide dont on pompe l'air et sa réapparition lorsqu'on laisse à nouveau l'air pénétrer. Ce fait est publié dans « Tracts Touching the Relation betwixt Flame and Air » (1671). Ceette expérience peut être considérée comme la première véritable expérimentation sur la chimie de la bioluminescence. Boyle considère stupide la croyance en une « Liquor Lucidus » préparée à base de vers luisants. Il écrit : « The shyning property of the tayles of glow worms does survive but so short a time the little animal made conspicuous by it » En 1663 Robert Boyle annonce que le Diamant possède la même propriété que la pierre de Bologne. En 1686, pour expliquer la phosphorescence de la mer, Tachard un écclésiastique affirme que l'eau des océans absorbe la lumière du soleil pendant la journée pour la restituer la nuit. Boyle pensait que la lueur des vagues provenait de la friction de l'eau. Il imaginait que l'atmosphère frottait sur l'eau de la mer à cause de la rotation de la terre et que cette friction avait pour effet direct l'émission de chaleur et de lumière. Boyle s'intéressa également beaucoup à la phosphorescence du bois pourri, du poisson etc… et fit beaucoup d'expériences. Le début de l'électroluminescence Le début de l'électroluminescence peut être daté précisémment par la première observation par Jean Picard (1620-1682) en 1675 de la lumière verdâtre émise par le vide se trouvant au-dessus du mercure dans un baromètre. Johan Bernoulli (1667-1748) se penchera sur le phénomène en 1700 ainsi que Francis Hauksbee entre 1704 et 1708. Ce phénomène sera appelé phosphore mercuriel. Découverte de la thermoluminescence La thermoluminescence est découverte en tant que phénomène spécifique en 1676 par Johan Sigismund Elsholtz (1623-1688) qui observe la lumière émise par certains échantillons de fluorite légèrement chauffés dans l'obscurité. Il appelle cette substance le « Phosphorus Smaragdinus » ou « Phosphore Thermique ». En 1676 donc, les principaux phosphores étaient au nombre de quatre : le phosphore de Bologne, le phosphore de Balduin (découvert en 1675 et à base de nitrate de calcium), le phosphore mirabilis (l'élément phosphore proprement dit) et le phosphore smaragdinus. C'est pourquoi Helmholtz intitulera en 1676 son livre « de Phosphoris Quatuor » et Heinrich Oldenburg (1626-1678) écrira un article dans Philosophical Transaction qui porte le titre : « Four Sorts of Factitions Shining Substances » Très rapidement, en 1693, un nouveau phosphore artificiel viendra s'ajouter à la liste : le phosphore d'Homberg (Wilhelm Homberg 1652-1715), un chlorure de calcium impur qui possède la propriété d'être triboluminescent quand on le broie ou quand on le griffe, propriété qui était déjà connue pour le sucre. Homberg its chemical laboratory. Subsequently he became teacher of physics and chemistry (1702), and private physician (1705) to the duke of Orleans. His death occurred at Paris on the 24th of September 1715. Homberg was not free from alchetnistical tendencies, but he made many solid contributions to chemical ano physical knowledge, recording observations on the preparation of Kunkel's phosphorus, on the green colour produced in flames by copper, on the crystallization of common salt, on the salts of plants, on the saturation of bases by acids, on the freezing of water and its evaporation in vacuo, &c. Much of his work was published in the Recucil de l'Académie des Sciences from 1692 to 1714. The Sal Sedativum Hombergi is boracic acid, which he discovered in f 702, and "Homberg's phosphorus" is prepared by fusing sal-ammoniac with quick lime. A part les livres de Nicolas Lémery (1645-1715) « Cours de Chymie » (Paris 1675) et de jacques Rohault (1620-1675) « Traité de Physique » (1671), aucun autre traité de chimie ou de physique du 17ème siècle ne parle de la luminescence, bien qu'ils décrivent le principe de la calcination qui a prévalu à la découverte de la pierre de bologne ! La luminescence est plutôt abordée dans des conférences dont les textes sont parfois publiés. P126 Boyle est sans aucun doute le premier à décrire la phosphorescence, la thermoluminescence, l'électroluminescence et la triboluminescence dans une même substance, en l'occurrence une substance noble : le diamant. En 1662, il constatait en effet que le diamant était non seulement phosphorescent après avoir été exposé à la lumière d'une chandelle, mais aussi lorsqu'on le chauffait légèrement ou lorsqu'on le frottait avec un tissu de laine. Il savait aussi que le diamant devenait lumineux lorsqu'on le brisait et il observe en 1663 qu'un diamant appartenant au roi devenait lumineux lorsque « one brisk stroke of a bodkin » Fig 13 Fireflies dans une bouteille ; expérience de Domenico Bottoni (1641-1731) Un autre français, Edme Mariotte (1620-1684) a également traité de la luminescence dans son « Traité de la nature des couleurs » (Paris 1688) et il note la couleur des différentes flammes et de la luminescence des phosphores. Histoire du phosphore : Paracelse , contemporain de Georg Agricola (1490 – 1555) Il est possible que Paracelse ait découvert le phosphore avant Brandt, mais il n'y a pas prêté attention. Avant 1700 donc, tous les types de luminescence étaient connus et reconnus excepté la cristalloluminescence. Les premières découvertes des alchimistes Il faudra attendre le 16ème et le 17ème siècle et l'essor de l'alchimie pour que l'on s'intéresse à la compréhension et à la reproduction du phénomène. Les alchimistes utilisaient souvent la lumière comme symbole de l'esprit et le soleil entouré de ses rayons dorés comme symbole de l'or. Aussi étaient-ils particulièrement intéressés par cette lumière du soleil qui semblait piégée dans la matière phosphorescente. Cette recherche sur la phosphorescence était également couplée à une autre recherche qui tenait à cœur les alchimistes, celle d'un feu perpétuel, d'une lampe qui brûlerait à jamais sans s'éteindre. Ils trouvèrent dans la nature certains matériaux lumineux (animaux, végétaux, champignons…) et étudièrent la possibilité d'en extraire et d'isoler la substance responsable de cette propriété. L'encadré ci-contre reprend une de ces recettes tirée du livre « The Art of Distillation » de John French (1651) pour extraire et dissoudre dans de l'eau la substance lumineuse des vers luisants ! Grâce aux travaux des alchimistes il existait au 17ème siècle en occident trois substances différentes auxquelles on donnait le nom de « Phosphorus » ; la première fut la « Pierre de bologne » ou « Bologna Phosphorus » découverte en 1602 par Casciarolo, la seconde, le phosphore, élément chimique découvert par Brandt en 1669.et enfin, le « Balduin's Phosphorus Hermeticus » apparu vers 1675 La Pierre de Bologne allait devenir le premier objet d'étude scientifique du phénomène de luminescence et passionna bien des générations de curieux et d'hommes de sciences. L'alchimie La période qui s'étend du début de l'ère chrétienne jusqu'au 17-18ème siècle est connue sous le nom de période de l'alchimie. Le mot provient de l'arabe alkimia composé de l'article al et du mot kimia qui viendrait du grec chyma (fondre ou mouler le métal) ou du mot égyptien chem qui désigne l'Egypte qui fut en occident le berceau de l'alchimie. On ne connaît cependant ni le lieu exact ni l'époque où naquit vraiment cet art étrange et souvent sulfureux qu'est l'alchimie dont les adeptes furent légions aussi bien en occident qu'en orient et particulièrement en Chine. C'est d'abord une philosophie à base expérimentale, trouvant son origine à Alexandrie, centre intellectuel de la civilisation gréco-romaine. La bibliothèque de cette ville (brûlée au VIe s. par des envahisseurs arabes) contenait toute la sagesse de l'Antiquité ainsi que les connaissances tirées de l'alchimie arabe et juive (Marie la juive inventa le Bain-marie), et attirait beaucoup de savants. Sa situation géographique faisait d'Alexandrie un carrefour obligé entre les civilisations du Moyen-Orient et l'occident. C'est aussi un "art sacré" (mouvement spirituel, ésotérique, mystique et secret). Un alchimiste, en purifiant la matière, essaie de se purifier lui-même. Les alchimistes croyaient que les métaux pouvaient être convertis en or à l'aide d'une substance mystérieuse appellée "Pierre Philosophale" qui devait également plus tard - sans doute sous l'influence de l'alchimie chinoise introduite par les textes islamiques - servir à produire un « elixir de vie ». La nature de cette pierre était variable selon les écoles : véritable pierre pour certains, teinture ou encore poudre pour d'autres. Au vu de ce passage d'un traité d'alchimie chinois, on peut sans doute rapprocher l'elixir de vie d'un aphrodisiaque quelconque (Peut-être de l'opium ?) : « Lorsque la poudre d'or pénètre dans les cinq entrailles un nuage se dissipe comme nuées balayées par le vent. Le vieux radoteur se mue en jeune homme plein de désirs. » Et voilà notre vieillard tout rajeuni ! Beaucoup de nouveaux éléments chimiques furent découverts pendant cette période, bien que peu de découvertes sur la nature des réactions chimiques et sur la nature fondamentale de la matière furent faites. Les théories alchimiques, basées sur les postulats d'Aristote et modifiées plus tard par la « doctrine des deux contraires », étaient tellement éloignées de la réalité chimique qui allait être découverte bien plus tard, qu'il ne pouvait en être autrement. Mais les alchimistes étaient d'infatigables expérimentateurs… Ainsi, le phosphore, le bismuth, l'arsenic, le zinc et l'antimoine furent découverts par les alchimistes qui connaissaient déjà le mercure, le cuivre, l'or, l'argent, le plomb, l'étain, le fer le soufre et le carbone issus de l'histoire de l'humanité. Au fil du temps, les alchimistes formèrent un petit groupe plein de mystère dissimulant ses formules sous des symboles indéchiffrables pour les non initiés : l'étoile signifiait le cuivre, la clé le sel courant, le croissant et la couronne le salpêtre, le poisson le mercure, le soleil le sel d'ammoniac etc. Tous ces symboles évolueront au cours du temps jusqu'aux symboles chimiques utilisés de nos jours comme le montre la figure ci-dessous : Pour transmettre leur savoir à leurs disciples soigneusement choisis, de nombreux ouvrages illustrés de dessins symboliques et allégoriques furent écrits. Le tableau ci-dessous de David Tenier le Jeune, peintre flamand du 17ème siècle représente l'atelier d'un alchimiste représenté ici avec sa toque bordée de fourrure, symbole de ceux qui prétendaient détenir la pierre philosophale. David Tenier le Jeune, peintre flamand du 17ème siècle L'illustration satirique ci à côté est extraite de la chronique Mer des Hystoires du 15ème siècle. On y voit un alchimiste se boucher le nez pour manipuler une mixture nauséabonde que sa femme le presse de changer en or. L'alchimiste allemand Helvetius se plaignait d'ailleurs que sa femme « le harcelât jusqu'à ce qu'il tentât l'expérience faute de quoi elle ne le laissait reposer ni dormir de la nuit ». Voilà des méthodes qui raviraient nos chimistes modernes ! Beaucoup d'alchimistes amateurs n'étaient motivés que par le désir de s'enrichir rapidement, transformant leur maison en laboratoire et réduisant par leur cupidité leur famille à la misère. On les appelait parfois les « pouffeurs » à cause de leurs soufflets qui fonctionnaient jour et nuit. La gravure de Pierre Breughel le vieux (1558) ci-dessous montre les malheurs des alchimistes amateurs dont le garde-manger et la bourse sont vides et qui si l'on observe le coin supérieur droit de la gravure, ne peut selon Breughel que mener à l'hospice. Pierre Breughel le vieux (1558) Au 13ème siècle, des alchimistes comme Roger Bacon, Albertus Magnus et Raymond Lully réalisèrent que la quête de la "Pierre Philosophale" en elle-même était sans intérêt. Ils commencèrent à sentir que les alchimistes feraient mieux de chercher le moyen d'aider le monde à utiliser de nouveau produits et à travailler avec de nouvelles méthodes. Voici ce que dit Bacon : « L'alchimie peut se comparer à ce vigneron disant à ses fils qu'il leur laisse de l'or enterré dans un coin du vignoble. En vain, les fils creusent. Mais en retournant la terre au pied des vignes, ils préparent un crû abondant. Ainsi la quête de l'or a-t-elle donné naissance à mille inventions utiles et instructives… » Dans un autre manuscrit du 13ème siècle qui lui est attribué, voici comment il décrit la fabrication de la poudre : « Prends 7 parts de salpêtre, 5 de branches de jeune noisetier et 5 de soufre et tu déchaîneras le tonnerre et la destruction si tu sais t'y prendre ». La distillation, la cristallisation, la fonte et l'alliage des métaux sont des techniques qui ont été mises au point par les alchimistes qui ont véritablement introduit l'approche expérimentale de la matière. Au 16ème siècle apparaît un autre leader important de ce mouvement, talentueux autant qu'agressif, le suisse Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim (1492 - 1541) qui selon l'habitude des gens cultivés de l'époque adopta le nom latin sous lequel il est bien plus connu: Paracelsus. Ce nom voulant dire "superieur à Celsus" qui était un médecin romain du premier siècle avant JC. Cependant, selon une autre explication, le choix de ce nom proviendrait de la traduction gréco-romaine de Hohenheim qui signifie « près du ciel ». Paracelse insiste sur le fait que l'objet de l'alchimie devait être bien plus de guérir les maladies que de rechercher l'or. Il reconnaissait 3 éléments: le sel, le soufre et le mercure (appellé élixir), qui, s'ils se trouvaient dans le corps en bonne proportions, assuraient la santé. Sur cette base il pratiqua la médecine et fit de nombreux émules. On nomme cette période "iatrochimie", c'est à dire la chimie appliquée à la médecine (du grec iatros, «médecin»). Nommé, en 1526, professeur à l'université de Bâle, il scandalise en donnant ses cours en allemand (alors que le latin était la langue officielle de l'Université). Dénonçant l'enseignement traditionnel, il propose une thérapeutique originale fondée sur l'emploi de composés minéraux et professe des théories nouvelles: selon lui, l'homme peut connaître le monde qui l'environne et améliorer sa condition naturelle. Mais l'un des premiers véritables chimistes scientifiques fut un auto didacte anglo-irlandais comtemporain de Newton, Robert Boyle (1627-1691). Dans un livre intitulé "The Sceptical Chymist (1661)", Le chimiste sceptique, il exprime ce qu'il pense de certaines théories qu'il trouve erronées, telles la théorie d'Aristote, rejette les éléments des iatrochimistes et initie la liste des éléments chimiques en commençant par définir la notion d'élément : Par élement, écrivait Boyle, j'entends certains corps primitifs et simples libres de tout mélange, qui ne sont faits ni d'autres corps ni les uns des autres et sont les ingrédients de tous ceux appelés mélanges parfaits et en lesquels ils se résolvent finalement ». Nous sommes alors au milieu du 17ème siècle et on ne peut qu'apprécier dans ce contexte l'exactitude de cette définition qui fait bien de lui l'un des pères de la chimie moderne ! Il montra également que le test de la coloration de la flamme (« l'épreuve de la flamme ») pouvait signaler de manière sensible et non équivoque la présence d'un élément particulier ouvrant la voie vers la spectroscopie de flamme. Son nom est également associé à une loi concernant le volume et la pression des gaz. Chrétien convaincu, en 1680, il publie "The Christian Virtuoso" dans lequel il affirme que l'étude de la nature est un des principaux devoirs de la religion. En 1661 il aida à la fondation d'une association scientifique qui deviendra plus tard la "Royal Society of England". Il y avait du génie dans cet homme ! Take [slices of] Lignum Nephreticum and put about a handful of these slices into two […] pounds of the purest spring water ; let them infuse there a night. Decant this impregnated water into a clear glass phial.[...] If you hold this phial from the light so that your eyes be placed betwixt the window and the phial, the liquor will appear of a deep and lovely ceruleous color. […] This and other phenomena wich I have observed in this delightful experiment, divers of my friends have looked upon not without wonder Robert Boyle In 1617, Jacques Rohault, a noted French mathematician and physicist, decided that the sea seemed to sparkle when disturbed because the salt was crashing against itself in the heated waters and producing light. Historical scientists observed the light emitting sea was more active in the summertime. This is correct, as the bioluminescent plankton is in season at that time and therefore is much more abundant. Yet in 1688 Pere Guy Tachard decided that the glow of the sea was attributed to the heat of the sun, which would penetrate the sea, filling it during the day with an infinity of fiery and luminous spirits. Then by night the haunted sea would reunite in the dark to pass the spirits out in a violent state. Yet not all scientists of the past were so far fetched. Some based their theories on observation and facts such as Domenico Bottoni, an Italian physicist who saw that when the wings of a firefly are tied down, their light fades because of the lack of motion. He related this to the sea in the same way; the glitter of the sea depends on motion. He had no idea that he made the correct link between those two elements as they are caused by the same chemical reaction

Conclusion sur le 17ème siècle