Niépce estaba interesado en la litografía y comenzó sus experiencias con la reproducción óptica de imágenes realizando copias de obras de arte y utilizando para ello los dibujos realizados en piedra litográfica por su hijo. Sus primeros experimentos, en 1813, utilizaban gomas resinosas expuestas directamente a la luz del sol. Su primer éxito en la obtención de medio sensible a la luz vino con el uso de asfalto disuelto en aceite esencial de lavanda.
Cuando en el año 1814 su hijo se alistó en el ejército, tuvo la idea de emplear una cámara oscura junto con las sales de plata sensibles a la luz para tratar de conseguir imágenes fijas. Empezó utilizando la piedra como soporte para fijar las imágenes, aunque desistió pronto por los grandes problemas que acarreaba. Siguió entonces con el papel, luego con el cristal y, por último, con diversos metales como el estaño, el cobre y el peltre.
Obtuvo las primeras imágenes fotográficas de la historia en el año 1825, aunque ninguna de ellas se ha conservado; se sabe de ellas por referencias en las cartas que Niépce enviaba a su hermano. Eran fotografías en papel y en negativo, pero como a muchos otros inventores de esa época, no le interesaba obtener imágenes negativas, así que abandonó esta línea de investigación.
Un par de años después, ya en 1827, obtuvo imágenes directamente en positivo, sacrificando de este modo las posibilidades de reproducción de las imágenes, por ser las obtenidas imágenes únicas.
Al procedimiento utilizado lo llamó heliografía (del griego ἥλιος, helios, «sol», y γραφία, grafía, «escritura» o «dibujo»), distinguiendo entre heliograbados —reproducciones de grabados ya existentes— y puntos de vista —imágenes captadas directamente del natural por la cámara—.
Punto de vista desde la ventana de Gras, datada en el año 1826, es la primera fotografía conocida y se conserva en la actualidad en la Universidad de Texas. Sin embargo, el semiólogo Roland Barthes, en su obra La cámara lúcida (Paidós, Barcelona, 1989), recoge una imagen posterior que el autor acompaña de un pie de foto: «La primera fotografía». Se trata de la obra La mesa puesta, una borrosa instantánea de una mesa dispuesta para ser utilizada en una comida, datada por el autor en 1822, que se conserva en el Museo Nicéphore Niepce. La foto anterior, realizada unos diez años después de que consiguiera las primeras imágenes, recoge un punto de vista de una calle fijado sobre una placa de metal. Necesitó ocho horas de tiempo de exposición de la placa a la luz. Para realizar esta fotografía utilizó una plancha de peltre recubierta de betún de Judea, exponiendo la plancha a la luz y quedando la imagen invisible; las partes del barniz afectadas por la luz se volvían insolubles. Después de la exposición la placa se bañaba en un disolvente de aceite esencial de lavanda y de aceite de petróleo blanco, disgregándose las partes de barniz no afectadas por la luz. Se lavaba con agua, pudiendo apreciar la imagen compuesta por la capa de betún para los claros y las sombras por la superficie de la placa plateada.
Si bien Niépce vivía y trabajaba en Borgoña, en un momento de sus investigaciones requirió de una lente nueva y le pidió a un pariente que viajaba a París que la consiguiera en la óptica de la familia Chevalier, el padre Vincent Jacques Louis Chevalier (1770 - 1841) y el hijo Charles Louis Chevalier (1804- 1859), dándole además algunas pruebas fotográficas de sus experimentos. Los Chevallier conocían a Daguerre y le hablaron de Niépce y sus heliografías. Desde ese momento, Daguerre intentó diversos modos de asociarse con Niépce, hasta que en 1829 consiguió firmar un contrato de constitución de una sociedad, el día 14 de diciembre de 1829, a través de cual Niépce le revela sus avances para el desarrollo y comercialización del invento.
A causa de una apoplejía sufrida en su estudio de Saint Loup de Varennes (Borgoña), falleció el día 5 de julio de 1833, a los sesenta y ocho años, siendo enterrado en el cementerio del pueblo.
La participación de Niépce en el invento de la fotografía, que se hizo público en 1839 con el solo protagonismo de Daguerre, fue resultado del desinterés inicial de su hijo Isidore Niépce, quien heredó y negoció con Daguerre los beneficios de aquel contrato (que vendió el invento al Estado francés), pero no reclamó el reconocimiento de la participación de su padre. Sin embargo, en el año 1841 publicó la obra titulada Historia del descubrimiento del invento denominado daguerrotipo, en la que se pudo aclarar su papel en la historia del invento de la fotografía, ante las maniobras realizadas por Daguerre para ocultar sus trabajos.
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