科学家们通过微观细节探索老化的油漆 为保护工作提供信息

看油漆干燥似乎是一种无聊的爱好,但了解油漆干燥后发生的事情可能是保存珍贵艺术品的关键。

在用油画颜料组成的艺术品中形成金属皂会导致“艺术痤疮” - 包括拉伸和更严重的恶化 - 这对全球艺术保护构成了紧迫的挑战。它正在影响Georgia O'Keefe,Vincent Van Gogh,Francisco de Goya和Jackson Pollock以及许多其他人的作品,研究人员还没有找到一个很好的解决方案来阻止其影响。

为了更多地了解微观和纳米级细节中老化油漆所涉及的化学过程,由国家美术馆和国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员领导的国际团队进行了一系列研究,包括3- D高级光源(ALS)的油漆样品的X射线成像,这是能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的同步加速器。

“据估计,70%的油画可能已经或将会出现这些金属肥皂问题,”国家艺术馆的查尔斯·库尔佩珀研究员肖马说,他是该研究小组的主要作者,发表在期刊上。Angewandte Chemie国际版。

“在我们的收藏中,我们看到画作中的肥皂 - 我会说这并不罕见,”他指出。“它们可能尚未在地面上显示,但存在于'地面'或底层。”

同样具有破坏性的化学反应,以前的研究已经发现,脂肪酸与涂料颜料(包括铅,锌,铜,镉和锰)中存在的金属离子混合,也发现在一些有机涂料中,如使用的那些马云指出,对于青铜雕塑和工业。

最新研究的重点是一种名为“Soft Titanium White”的涂料,该涂料于1995年由涂料制造商涂在画布上。除二氧化钛(TiO 2)外,它还含有氧化锌(ZnO),已知它可形成皂。马说,自1930年左右以来,它一直在使用。老化的样品没有以任何方式处理并且保持在受控环境中。

该研究发现,一种名为硬脂酸铝的化合物簇在涂料中随机分布,而称为肥皂的羧酸锌混合在其中。高空间分辨率分析表明,一种锌皂,硬脂酸锌,聚集在这些簇附近。

虽然油漆样品尚未显示出物理变质,但研究人员发现,如果锌皂随着时间的推移变得更加浓缩并局限于油漆中,最终可能会出现油漆碎裂和碎屑(剥落)的迹象。

“我们正试图了解最初的流程,以了解肥皂可能形成的位置以及它们可能移动的位置 - 如果它们正在移动,”国家美术馆科学研究部负责人Barbara Berrie说。艺术并担任该研究的共同领导。“我们希望确保我们了解更多当代绘画中正在发生的事情,以便这些作品能在未来发挥作用。”

她说,这项研究对于开发更好的保护方法具有更广泛的意义,这些保护方法基于观察到的油漆中的化学成分。“我可以看到这可能普遍适用于各种艺术品的保存和处理问题,”她说。

参与这项研究的ALS的一名科学家Dula Parkinson表示,X射线显示了一个类似气泡的微小斑点的大小,形状和分布,这些斑点的样本只有几毫米。

“他们想要了解正在发生的事情的基本化学和基本过程,”他说。“他们看到的这些结构在很多画作中都很常见,因此他们试图了解为什么这些结构在这里。” 使用称为X射线显微断层摄影术的技术成像,绘制了涂料中不同的厚度,并显示出一些微观裂缝。

ALS的显微断层照相术也被用于提供从植物茎到太空船隔热罩的各种样品的微观视图。

除了微尺度的涂料样品的X射线探测外,该团队还使用了一种称为光热诱导共振(PTIR)的技术,该技术超出了传统光学显微镜的放大倍数。PTIR将红外(IR)激光器与原子力显微镜结合在一起,为涂料的化学成分提供纳米级窗口,其尺寸远小于传统红外显微镜所能达到的尺度。

另一种称为傅立叶变换红外(FTIR)微光谱的技术提供了不同涂层样品层的化学成分的更广泛视图。

NIST的纳米级光谱学组的项目负责人Andrea Centrone与Berrie共同领导了这项研究,他指出PTIR技术提供的化学映射的分辨率与原子力显微镜的分辨率相似,后者通过分析方法扫描样品。这个过程类似于记录播放器的针在表面上移动并映射它。

当尖端扫描样品时,红外脉冲被局部吸收,样品加热并迅速膨胀。这会像尖叫音叉一样“踢”尖端,并提供有关样本的化学特定信息。

涂料样品表面非常粗糙,粘稠,很难进行化学成像,因此Centrone与NIST的合作者合作调整技术,使扫描尖端在样品表面上方振荡,轻轻触摸而不是拖过它,从而使捕获高分辨率数据。

Centrone说:“我们能够捕获非常小的细节,低至10或20纳米,或十亿分之一米。” “我们能够发现油漆样品中形成了哪种金属皂。”

该研究指出,用于探索涂料化学的相同技术可以更广泛地应用于样品具有挑战性的其他领域,因为它们的化学性质不均匀,并且需要详细的不同规模的化学知识,例如如生物医学和能量储存。

Berrie说她期待未来的研究应用相同的技术来探索不同类型和层次的油漆和其他问题,以保护艺术品。

“我们希望我们能够对油 - 色素相互作用的不同组合进行比较和对比,”她说。“我们将能够探索一些我们仍然不太了解的绘画的基本化学,”也为艺术保护提供见解。“而且,我们正在努力帮助了解艺术保管人员的各种选择。”

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