Utilisation de neutrons pour repérer les fausses pièces antiques

La présence d'hydrogène dans un échantillon est généralement une mauvaise chose dans les expériences de diffusion de neutrons

The presence of hydrogen is usually a bad thing in neutron scattering experiments, but now researchers in the US have turned the tables on the lightest element and used it to spot fake antique coins.

La présence d'hydrogène est généralement une mauvaise chose dans les expériences de diffusion de neutrons, mais maintenant les chercheurs aux États-Unis ont tourné les tables sur l'élément le plus léger et l'ont utilisé pour repérer les fausses pièces antiques.

Relative to other types of electromagnetic radiation, neutrons can travel relatively large distances in materials without being absorbed. This property is useful for probing the bulk properties of materials, especially when the neutrons’ wavelengths are on par with the atomic separations in a material. At these wavelengths, neutrons can be scattered by atoms in a material, and the relative phases and amplitudes of the scattered waves can be measured to reconstruct images of the material’s structure.

Par rapport à d'autres types de rayonnement électromagnétique, les neutrons peuvent parcourir des distances relativement grandes dans les matériaux sans être absorbés. Cette propriété est utile pour sonder les propriétés en vrac des matériaux, en particulier lorsque les longueurs d'onde des neutrons sont à égalité avec les séparations atomiques dans un matériau. À ces longueurs d'onde, les neutrons peuvent être dispersés par des atomes dans un matériau, et les phases et amplitudes relatives des ondes diffusées peuvent être mesurées pour reconstruire les images de la structure du matériau.

For example, in biological structure determination, proteins, DNA and other biomolecules are usually placed in a solution and the resulting scattering data are used to determine the 3D structure of the molecule in the solution. However, hydrogen-1 nuclei (protons) are very good at scattering neutrons in random directions, which creates a noisy background signal. For this reason, biological samples are usually “deuterated” – replacing hydrogen with deuterium – before they are placed in a neutron beam.

Par exemple, dans la détermination de la structure biologique, les protéines, l'ADN et d'autres biomolécules sont généralement placés dans une solution et les données de diffusion résultantes sont utilisées pour déterminer la structure 3D de la molécule dans la solution. Cependant, les noyaux d'hydrogène-1 (protons) sont très bons pour diffuser des neutrons dans des directions aléatoires, ce qui crée un signal de fond bruyant. Pour cette raison, les échantillons biologiques sont généralement «deutérés» - en remplacement de l'hydrogène par du deutérium - avant d'être placés dans un faisceau à neutrons.

Special cases do exist, however, where this incoherent scattering of hydrogen can be useful – measuring the water content of samples, for instance.

Des cas particuliers existent cependant, lorsque cette diffusion incohérente de l'hydrogène peut être utile - mesurer la teneur en eau des échantillons, par exemple.

Surfeit of hydrogen

Surfeit d'hydrogène

Now, researchers in the US and South Korea have used a neutron beam to differentiate between genuine antique coins and fakes. The technique relies on the fact that the genuine coins have suffered corrosion that has resulted in the inclusion of hydrogen-bearing compounds within the coins.

Désormais, les chercheurs aux États-Unis et en Corée du Sud ont utilisé un faisceau à neutrons pour différencier les véritables pièces antiques et les contrefaçons. La technique repose sur le fait que les pièces authentiques ont subi une corrosion qui a entraîné l'inclusion de composés portant l'hydrogène dans les pièces.

Led by Youngju Kim and Daniel Hussey at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado, the team fired a parallel beam of neutrons through individual coins (see figure). The particles travel with ease through a coin’s original metal, but tend to be scattered by the hydrogen-rich corrosion inclusions. This creates a 2D pattern of high and low intensity regions on a neutron-sensitive screen behind the coin. The coin can be rotated and a series of images taken. Then, the researchers used computed tomography to create a 3D image showing the corroded regions of a coin.

Dirigée par Youngju Kim et Daniel Hussey à l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) du Colorado, l'équipe a tiré un faisceau parallèle de neutrons à travers des pièces individuelles (voir figure). Les particules se déplacent facilement à travers le métal d'origine d'une pièce, mais ont tendance à être dispersées par les inclusions de corrosion riche en hydrogène. Cela crée un modèle 2D de régions d'intensité haute et faible sur un écran sensible à la neutron derrière la pièce. La pièce peut être tournée et une série d'images prises. Ensuite, les chercheurs ont utilisé la tomodensitométrie pour créer une image 3D montrant les régions corrodées d'une pièce.

The team used this neutron tomography technique to examine an authentic 19th century coin that was recovered from a shipwreck, and on a coin that is known to be a replica. Although both coins had surface corrosion, the corrosion extended much deeper into the bulk of the authentic coin than it did in the replica.

L'équipe a utilisé cette technique de tomographie à neutrons pour examiner une pièce authentique du XIXe siècle qui a été récupérée d'un naufrage, et sur une pièce connue pour être une réplique. Bien que les deux pièces aient eu une corrosion de surface, la corrosion s'est étendue beaucoup plus profondément dans la majeure partie de la pièce authentique que dans la réplique.

The researchers also used a separate technique called neutron grating interferometry to characterise the pores in the surfaces of the coins. Pores are commonly observed on the surface of coins that have been buried or submerged. Authentic antique coins will be buried or submerged, whereas replica coins will be buried or submerged to make them look more authentic.

Les chercheurs ont également utilisé une technique distincte appelée interférométrie de réseau à neutrons pour caractériser les pores dans les surfaces des pièces. Les pores sont couramment observés à la surface des pièces qui ont été enterrées ou submergées. Des pièces anciennes authentiques seront enterrées ou submergées, tandis que les répliques de pièces seront enterrées ou submergées pour les rendre plus authentiques.

Small-angle scattering

Dispersion de petit angle

Neutron grating interferometry looks at the small-angle scattering of neutrons from a sample and focuses on structures that range in size from about 1 nm to 1 micron.

L'interférométrie de réseau à neutrons regarde la diffusion des petits angles des neutrons à partir d'un échantillon et se concentre sur les structures qui varient en taille d'environ 1 nm à 1 micron.

The team found that the authentic coin had many more tiny pores than the replica coin, which was dominated by much larger (millimetre scale) pores.

L'équipe a constaté que la pièce authentique avait beaucoup plus de minuscules pores que la médaille de réplique, qui était dominée par des pores beaucoup plus grands (à l'échelle du millimètre).

This observation was expected because when a coin is buried or submerged, chemical reactions cause metals to leach out of its surface, creating millimetre-sized pores. As time progresses, however, further chemical reactions cause corrosion by-products such as copper carbonates to fill in the pores. The result is that the pores in the older authentic coin are smaller than the pores in the newer replica coin.

Cette observation était attendue car lorsqu'une pièce de monnaie est enterrée ou submergée, les réactions chimiques provoquent la lixiviation des métaux de sa surface, créant des pores de la taille d'un millimètre. Au fil du temps, cependant, d'autres réactions chimiques provoquent des sous-produits de corrosion tels que les carbonates de cuivre pour remplir les pores. Le résultat est que les pores de l'ancienne pièce authentique sont plus petits que les pores de la nouvelle pièce de réplique.

The team now plans to expand its study to include more Korean coins and other metallic artefacts. The techniques could also be used to pinpoint corrosion damage in antique coins, allowing these areas to be protected using coatings.

L'équipe prévoit désormais d'étendre son étude pour inclure davantage de pièces de monnaie coréennes et d'autres artefacts métalliques. Les techniques pourraient également être utilisées pour identifier les dommages à la corrosion dans les pièces antiques, permettant à ces zones d'être protégées à l'aide de revêtements.

As well as being important to coin collectors and dealers, the ability to verify the age of coins is of interest to historians and economists – who use the presence of coins in their research.

En plus d'être important pour les collectionneurs et les concessionnaires de pièces, la capacité de vérifier l'âge des pièces intéresse les historiens et les économistes - qui utilisent la présence de pièces dans leurs recherches.

The study was done using neutrons from NIST’s research reactor in Maryland. That facility is scheduled to close in 2026 so the team plans to continue its investigation using a neutron source in South Korea.

L'étude a été réalisée à l'aide de neutrons du réacteur de recherche de NIST dans le Maryland. Cette installation devrait fermer en 2026, donc l'équipe prévoit de poursuivre son enquête à l'aide d'une source de neutrons en Corée du Sud.

The research is described in Scientific Reports.

La recherche est décrite dans les rapports scientifiques.