תפקיד Xrd בניתוח אמנות היסטורית וחומרים המורשת התרבותית

תפקידו של XRD בניתוח אמנותיות היסטוריות וחומרים המורשת התרבותית

הבנת החומרים המהווים את המורשת התרבותית שלנו היא יסודית לשימורה ולשיקום העבר.במשך עשרות שנים, מדענים ותומכים פנו ל- X-ray diffraction (XRD) כטכניקה אנליטית אבן הפינה.בניגוד לשיטות הדורשות הרס דגימות יקרות, XRD מציעה חלון לא הרסני למבנה הקריסטלי של פיגמנטים, קרמיקה, מתכות ואבן.

מאמר זה חוקר את עקרונות XRD, היישומים המגוונים שלה במדעי המורשת, השיקולים המעשיים של הכנת הדגימה, והטכנולוגיות המתעוררות שהופכות את XRD לנגיש יותר מאי פעם.אם אתה אוצר, ארכיאולוג או מארגן, תפיסה מוצקה של יכולות XRD ישפר את היכולת שלך להגן ולפרש תרבות חומרית.

איך XRD עובד: A brief Primer

דיפרקציה רנטגן היא תופעה המתרחשת כאשר צילומי רנטגן אינטראקציה עם חומר גבישי.ב גביש, אטומים מסודרים לחזור על שלושה מטוסים תלת-ממדיים (לטיces) כאשר אירוע X-ray מכה מטוסים אלה, זה מפוזר בכיוונים ספציפיים.על פי Bragg & #8217; חוק (n= 2d ⁇ ), הפרעה קונסטרוקטיבית מתרחשת רק כאשר אורך בין קרניים הוא מספר עצום של טביעות אצבע (n=2d ⁇ ) הוא למעשה, כלומר, הוא מספר גדול של טביעות אצבע).

דפוס הניתוק המתקבל ניתן להשוות נגד מסד נתונים של תבניות מינרלים ידועות (כגון קובץ אבקת Diffraction שנשמר על ידי המרכז הבינלאומי לדפירציה נתונים) כדי לזהות שלבים עם ביטחון גבוה.העוצמה של הפסגות מספקת גם מידע כמעט-כאנטי על השפע היחסי של כל שלב הנוכחי בתערובת.

סוגי XRD בשימוש בלימודי מורשת

בעוד שכל שיטות XRD מסתמכות על אותה פיזיקה, המכשור והדגיאומטריה משתנים.התצורה הנפוצה ביותר לניתוח מורשת תרבותית כוללת:

(FLT:0) פלודר XRD (PXRD): הדגימה היא קרקע לתוך אבקה דק (לעתים קרובות למטה לכמה מיקרונים) וחשוף לקרני רנטגן ב diffractometer.זהו הצורה הנפוצה ביותר כי הוא עובד עם תערובת heterogeneous כגון אדמה, שכבות צבע או קרמיקה.
(FLT:0) Single-Crystal XRD:BuildFLT) 1 משמש כדי לקבוע את המבנה התלת-ממדי המלא של תרכובת גבישית טהורה.
(FLT:0Micro-XRD (μ-XRD): איור 1 A טכניקה המשתמשת קרן רנטגן ממוקדת (לעתים קרובות 50-100 מיקרומטר בקוטר) לנתח אזורים זעירים של חפץ ללא דגימה הרסנית.זה אידיאלי לבדיקת חתך של שכבות צבע או הכללות קטנות מתכת.
(FLT:0)Exportable XRD (pXRD): huveF1) מכשירים עמידים שדה או כלי רכב שניתן בניתוח של אובייקטים גדולים, בלתי ניתנים לסחילה כגון פסלים, ציורי קיר או אלמנטים אדריכליים. בעוד שיש להם פתרון נמוך יותר ודורשים זמני רכישה ארוכים יותר, הם משמשים יותר ויותר עבור סקרים ראשוניים.

כל תצורה מציעה הסכם סחר בין פתרון מרחבי, מהירות והרסניות.עבור רוב יישומי המורשת, שיטות לא פולשניות או פולשניות מינימליות מועדפות, ו- PXRD או μ-XRD לעתים קרובות להכות את האיזון הטוב ביותר.

יישומים של XRD במחקר מורשת תרבותית

המידע המינרולוגי המסופק על ידי XRD הוא הרבה יותר ספציפי מאשר ניתוח אלמנטרי בלבד.בעוד ש- X-ray פלואורסנס (XRF) יכול לומר לך כי פיגמנט מכיל נחושת, רק XRD יכול לזהות אם נחושת זו נוכחת כממאכליט (ירוק), אזוטקס (כחול), או תרכובת המבוססת נחושת סינתטית.

חיקוי בציורים וממנופס

אולי השימוש המפורסם ביותר של XRD במדעי המורשת הוא זיהוי של ציירים היסטוריים והארורים השתמשו במגוון רחב של מינרלים ותרכובות סינתטיות, שרבים מהם כוללים תבניות XRD אופייניות:

(FLT:0)Lapis lazuli (ultramarine): אנדרט ( 1:1) הפזמנט הכחול lazurite, שמקורו באבן חצי-המידה, יש מבנה כליל ייחודי. XRD יכול להבדיל אולטרה-מרין אמיתי מ חלופות סינתטיות זולות יותר בשימוש לאחר המאה ה-19.
(FLT:0Lead white (hydrocerussite & cerussite): cerussite: irLT:1 לעיתים קרובות תערובת של פחמן מוביל בסיסי ופחמיט מוביל נייטרלי.
(ב) [ה]ה[[המאה ה-20]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]
(ב) ⁇ (ב"ג, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

μ-XRD של דגימת צבע יכול גם לחשוף סטריפטוגרפיה: לדוגמה, שכבת קרקע אדומה ואחריו שכבת צבע כחולה. רצפים כאלה מסייעים לציורים אותנטיים על ידי התאמתם ללוחים היסטוריים ידועים ופרקטיקות סדנה.

Ceramics ו- Pottery: Prorovance and Technology

ממצאים קרמיקה הם חלק מהממצאים הארכיאולוגיים הרבים ביותר.שלבי המינרלים הקיימים ברד משקפים את מקור החימר הגולמי ואת ניתוח הירי של גופם של קרמיקה יכולים לזהות:

(ב) ⁇ (למשל, קטולייט, חולה, חלי, smectite): 1.FLT:1 נוכחותם או היעדרם מצביע על הטמפרטורה שהושגה במהלך הירי.לדוגמה, קטולייט מתווה בסביבות 500-600 מעלות צלזיוס, כך נוכחותו מרמזת על לכלוך דל אש.
(ב) שלב הטמפרטורות הגבוהות (למשל, mullite, cristobalite, ספיןאל): FLT:1 אלה צורה בטמפרטורות מעל 900-1000 מעלות צלזיוס והם אופייניים לסלע או ל- porcelain.
(ב) ⁇ :0) ,Carbonates and calcareous הכללות:FLT ( 1:1) ,הההתערות של cacomposition של calcite at - 700-850 מעלות צלזיוס משאירה מאחורי כלולים חדשים שיכולים להתייבב מאוחר יותר ולגרום לגלישה.

על ידי שילוב XRD עם פטרוגרפיה זעירה, החוקרים יכולים לזהות את המשקעים המינרליים של קרמיקה ולהשוות אותה למפות גיאולוגיות של מקורות חימר פוטנציאליים, ובכך לבסס הוכחה.גישה זו שימשה למעקב אחר תנועת האמפריים ברחבי הים התיכון ולזהות מקומיות מול כורשי מיובא במסופוטה העתיקה.

מתכת ומתכת Alloys

למרות מתכות לעתים קרובות נחקרות על ידי מתכתוגרפיה וסורק מיקרוסקופ אלקטרונים, XRD מספק תובנה ייחודית לתוך מוצרי קורוזיה כי צורה על פני השטח. אלה שכבות קורוזיה הם לעתים קרובות גבישי וכולל:

(FLT:0)Copper patinamia:FLT:1 נחושת בסיסית פחמן דואט (malachite, azurite), chlorides (nantokite, atacamite), ו sulfatesulfates (brochantite) נוכחות של chlorides, במיוחד Nantokite (CuCl), מציין תהליך קורוזיציה פעיל המכונה מחלת ברונזה, הדורש ייצוב מיידי.
(ב) ⁇ :0 (הההתקרות: ⁇ ): ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) silver tarnish:FLT:1 sulfide (אקניט) וכלור כסף (cerargyrite) הם אופייניים. XRD יכול גם לזהות שלבים גלקטיים של כסף מטבעות עתיקים.

בנוסף לשחיתות, XRD יכול לזהות את השלבים המינרליים ב-slags ו- crucible Livingues, לחשוף טכנולוגיות מחוספסות.לדוגמה, נוכחות של fayalite (Fe2SiO4) ב-Arseting slags מעידה על ניתוח פריחת מוצלח.

מחקר על תהליכי הדהור

אובייקטים מורשת תרבותית אינם סטטיים; הם עוברים שינויים כימיים וגופניים לאורך זמן. XRD עוקב אחר היווצרות של מלחים מזיקים, פריחה, ומוצרי התדרדרות אחרים כוללים:

(FLT:0) נצלו את אבן ולבנים: ⁇ 1:1 מלחים סולולים כמו הניינריט (Na2SO4), mirabilite (Na2SO4-H2O), ו nitratine (NaNO3) יכול להתגשם בתוך פודרס, גרימת ספיגה. XRD מזהה את שלב המלח, ומאפשר קונסרבטורנטים לבחירה מתאימה לטיפולים.
(FLT:0) היווצרות קרום על אבן גיר: אנדרל 1 (בסביבות מזומנות, סידן פחמן מגיב עם דו תחמוצת גופרית כדי ליצור ג'רמיום (CaSO4-H2O) גבישי שכבת הגיאום יכול להצביע על הגיל של הנזק בזיהום.
(FLT:0) Biomineralization: FLT:1 פעילות פטרייתיתית וחיידקים יכולה לייצר סידן חמצון (whewellite or Weddellite) על פני פני פני אבן. Detecting השלבים האלה מסייע להבדיל נזק ביולוגי ממזג אוויר כימי.

על ידי זיהוי תרכובות התדרדרות המדויקות, קונסרבטורים יכולים לעצב אסטרטגיות התערבות ממוקדות, כגון poulticing, conolidants, או בקרת איכות הסביבה.

מחקרים לזיהוי ופרונסנסנס

XRD הוא כלי רב עוצמה לחשיפת חומרים אנכרוניים, למשל, ציור כביכול מהמאה ה-16 המכיל את פיגמנט טיטניום לבן (אנאטאז או rutile) יהיה חשוד כי טיטניום לבן לא היה זמין מסחרית עד המאה ה -20.

מעבר לזיכרים, XRD עוזר לבסס הוכחה על ידי התאמת החתימה המינרלית של חפץ לפקדות גיאולוגיות ידועות.לדוגמה, ההרכב של שיש מן המחצבות של קאררה, פארוס, או Pentelicon ניתן להבחין על ידי תוכן מינרלים עקבות (למשל, דוומיט, quartz, muscovite) ועל ידי מגוון פולימורפ של פחמן סידן (calcite).

יתרונות ומגבלות של XRD

כמו כל הטכניקות האנליטיות, ל- XRD יש נקודות חוזק וחולשות שיש לקחת בחשבון בהקשר של מורשת תרבותית.

יתרונות

(FLT:0) ללא הרס (או פולשני מינימלי): אנדרט 1 עם μ-XRD ומכשירים ניידים, ניתוח יכול להתבצע ישירות על האובייקט, ולא משאיר עקבות גלויים.כאשר נדרש דגימת אבקה, רק כמה מיליגרם מספיק, לעתים קרובות נלקח משברים או קצוות קיימים.
(FLT:0) זיהוי ספציפי של שלבים גבישיים: ⁇ 1 בניגוד לניתוח אלמנטרי, XRD מזהה את תרכובות מינרלים בפועל.זה חיוני להבנת ההיסטוריה הכימית ונתיבי השפלה.
(FLT:0) ניתוח השוואתי: ⁇ FLT:1) ניתן להשתמש בעצימות שיא כדי להעריך שפעים יחסיים, אשר שימושי להערכת תערובות צבע או תואר המרה של פיגמנט במהלך ההידרדרות.
(FLT:0Speed וחסכוניות:FLT:1 ספסל מודרני ספסלים מודרניים יכולים לרכוש דפוס איכות ב 10-30 דקות, מה שהופך אותו אפשרי לנתח מספר גדול של דגימות במוזיאון או מעבדה.
(FLT:0) שילוב של טכניקות אחרות: ההרחבה 1 (XRD) משמשת לעתים קרובות לצד XRF, ראמן spectroscopy, ו FTIR כדי לספק תמונה מקיפה.לדוגמה, XRF נותן הרכב אלמנטרי, בעוד XRD אומר לך כי תרכובות הן למעשה נוכחות.

הגבלות

(FLT:0) חומרים גבישיים:FLT:1 ; שלבים אמורפי (כגון זכוכית, כמה כובלים אורגניים, או הידרוקסידים להזמין בצורה גרועה) אינם מייצרים פסגות חדות ועלולים ללכת ללא חת.עם זאת, הם לפעמים לתרום רקע רחב שניתן להסיק.
(FLT:0) הגבלת ענישה: 1FLT:1 שלבים קטנים נוכחים פחות מ 1–2% על ידי משקל עשוי להיות מפספס, במיוחד אם הם חופפים עם שיאים חזקים משלבים גדולים.
(FLT:0) תערובת מורכבת: FLT:1 דגימות מורשת רבות מכילים שלבים חופפים מרובים. Peak deconvolution תוכנה וחיפושי מסד נתונים זהירים נדרשים, ולעתים פרשנות ידנית על ידי מינרלוגיסט מנוסה נדרש.
(FLT:0) הכנת סגירה יכולה לשנות את האובייקט:FearLT:1 עבור PXRD, שחיקה את הדגימה לאבקה היא הרסנית.עם זאת, זה נעשה לעתים רחוקות על אובייקטים ייחודיים; במקום זאת, קונסרבטורים אוספים חלקיקים רציפים (למשל, משטח צבע מתפתל) או להשתמש במיקרו-מדגם.
(FLT:0) מכשירים איכותיים למסחר עבור זמינות: phigph:1 ; pXRD משתמשת לעתים קרובות צינורות רנטגן כוח נמוך גלאי גדול יותר, וכתוצאה מכך זמני רכישה ארוכים יותר ופתרון גרוע יותר, אבל הם אינם מתאימים לסקרים באתר.

מקרה מחקרים

מקרה מחקר 1: ים המלח Scrolls - חזירים ו Degradation

חוקרים הלומדים שברים של ים המלח במוזיאון ישראל השתמשו ב- μ-XRD כדי לנתח את דיו ואת שאריות פיגמנט. XRD אישר כי דיו שחור מורכב מפחמן שחור (פחמן כפול) יחד עם עקבות של תחמוצתעופרת וברזל, בעוד דיו אדום הכיל cinnabar (HgS).זה סייע להבדיל בין כתיבה מקורית מהעבודה מאוחר יותר וסיפק רמזים על הגלולות של ייצור של חומרת ברזל, בעוד דיו אדום מכיל cinnabar (HgS).

מקרה 2: פסל הברונזה קורוזיה

פסל ברונזה גדול מהתקופה ההלניסטית הציג קורוזיה ירוקה וכחול-ירוקה שופעת.ניתוח XRD של מיקרו-samples שזוהה atacamite (Cu2Cl(OH)3) ו-Nantokite (CuCl) כשלבים גדולים, המציין מחלת ברונזה פעילה. Conservators השתמש בשילוב של ניקוי מכני וייצוב כימי כדי להפוך את chlor פעיל לתוך תרכובות לעצור הידרדרות נוספת.

מחקר שלישי: פרובנס של רומאית

צוות של ארכיאולוגים הלומדים את השיש המשמש עבור סרקופגוס רומי אסף תרגילי דקה מן משטחים נסתרים ניתח אותם על ידי PXRD.נוכחות של דוומיט ופרטים של רעידות אדמה quartz להתאים את החתימה של שיש מן המחצבות של Thasos (Greece), לא את המאוחר יותר משמש קאררה.

כיוונים עתידיים

התפקיד של XRD במורשת תרבותית מתרחב במהירות הודות להתקדמות טכנולוגית.מכשירי אלקטרוניקה ניידים הם קטנים מספיק כדי להילקח לתוך אתרי חפירות מרוחקים או חדרי אחסון במוזיאון.הפיתוח של מקורות סינכרונפרי רנטגן מאפשר חדירה עמוקה של אובייקטים עבים ומחקרים מסולקים של זמן על תגובות כימיות (למשל, הייבוש של שכבות צבע או היווצרות של שלב קורוזי).

אזור מרגש נוסף הוא השילוב של XRD עם tomography הנחשק (XRD-CT), המספק מידע קריסטלוגרפיה בעל פתרון מרחבי לשלושה ממדים ללא חיתוך האובייקט.טכניקה זו כבר שימשה כדי ללמוד את המבנה הפנימי של כלי שיט עתיק ואת ההפצה של שכבות קורוזיה בתוך אובייקטים ברזל.

יתר על כן, אלגוריתמי למידת מכונה מאומנים באופן אוטומטי לסווג דפוסים של דיפרקציה, להפחית את נטל הפרשנות ידנית ולהגדיל את זיהוי של שלבים לא ידועים.מסד נתונים פתוח-גישה ממשיך לגדול, מה שהופך את זה קל יותר עבור מדענים מורשת להשוות את התוצאות שלהם עם מאגרים גלובליים.

מסקנה

דיפרקציה רנטגן היא הרבה יותר מאשר כלי אפיון; זהו גשר בין מדעי הטבע והאנושיים. על ידי מתן מידע מקטורולוגי מדויק, XRD עוזר לענות על שאלות בסיסיות על איך חפצים נעשו, מהיכן הגיעו, מה קרה להם במשך מאות שנים, וכיצד הכי טוב לשמר אותם לדורות הבאים.

עבור מוסדות המעוניינים לשלב XRD לתוכנית מדע המורשת שלהם, ספסל מודרני diffractometer או גישה ליחידה ניידת במתקן מרכזי מציע החזר מעולה על ההשקעה.כפי שהטכנולוגיה הופכת להיות זולה וידידותית למשתמש, אנו יכולים לצפות ש- XRD יהפכו לשגרה במעבדות שימור כמו הדמיה רנטגן כבר. על ידי המשך חדד את שני כלי השיט והניתוח, הקהילה התרבותית תחשוף אפילו תובנות עמוקות יותר של חומרים מספרים על ידי האנושות.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] ב[[המאה ה-20]], ראו את המרכז הבינלאומי של דיפרנס ד'ר"ל:2 לתבניות התייחסות, ולחקור אוספים כגון מוזיאון ה-FLT:3Metropolitan של מחקר מדעי האמנותי של דיפרנציאלמוס:4 או FLT:5GETICOFLT6 לחוקים מעשיים.