Konserwacja dzieł sztuki z wykorzystaniem elektrochemii

3 cze 2024

Artykuł

Zachowanie i ochrona dzieł sztuki przed uszkodzeniem może być skomplikowaną sprawą. Konserwatorzy dążą do znalezienia równowagi między ochroną artefaktu a zachowaniem pierwotnego zamysłu artystycznego. Na szczęście istnieje duży zestaw narzędzi naukowych, który pomaga konserwatorom wszystko analizować, od składu pigmentu po wiek artefaktów, korzystając z nowoczesnych metod konserwacji. Znalezienie nieniszczących technik może być trudne, ale nietypowe rozwiązania, takie jak elektrochemia, wnoszą istotny wkład w konserwację dzieł sztuki. W tym miejscu zwracamy uwagę na trzy przypadki pokazujące rolę elektrochemii w ochronie sztuki dla przyszłych pokoleń.

Omówione zostaną następujące tematy (kliknij, aby przejść bezpośrednio do każdego z nich):

Kontrola korozji powłok technikami elektrochemicznymi
Czyszczenie i renowacja dzieł sztuki za pomocą elektrochemii
Elektrochemiczna spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym (EC-SERS) do nieniszczącej analizy pigmentów

Kontrola korozji powłok technikami elektrochemicznymi

Zastosowanie elektrochemii w nauce o korozji jest dobrze znane. Obejmuje między innymi nakładanie i badanie różnych powłok na metalach w celu poprawy ich odporności na korozję.

Podobne podejście, wykorzystujące techniki rezystancji polaryzacyjnej (PR) i elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS), można zastosować do artefaktów metalowych o znaczeniu historycznym i kulturowym, podatnych na korozję. Wysoka odporność na polaryzację wskazuje na lepszą ochronę przed korozją. Główną różnicą między tym zastosowaniem a bardziej typowymi badaniami korozji przemysłowej jest fakt, że powłoka musi zachować przyjemny estetyczny wygląd (tj. być w jak największym stopniu przezroczysta) [1]

W badaniu elektrochemicznym przeprowadzonym w Bolonii we Włoszech sprawdzono skuteczność różnych powłok na pozłacanej ogniowo próbce brązu [2]. Za pomocą analizy elektrochemicznej określono szybkość korozji w różnych warunkach laboratoryjnych. Test ten został przeskalowany do rzeczywistych warunków, aby określić, w jaki sposób różne nałożone powłoki mogą wpłynąć na korozję prawdziwego artefaktu. W tym przypadku analizowana próbka posłużyła jako replika Gates of Paradise (Ryc. 1) [2]. Pokazano także w Rysunek 1 jest typowym obwodem zastępczym dla metalu w środowisku korodującym i wykresem Nyquista, które można wykorzystać do oszacowania rezystancji polaryzacji.

Left: Gates of Paradise by the sculptor Lorenzo Ghiberti, a pair of gilded bronze doors installed in the Florence Baptistery. Right: fitting of EIS data with the right equivalent circuit allows estimation of Rp, the polarization resistance.

Rysunek 1. Po lewej: Gates of Paradise autorstwa rzeźbiarza Lorenzo Ghibertiego, para drzwi z pozłacanego brązu zainstalowana w baptysterium we Florencji. Po prawej: dopasowanie danych EIS do odpowiedniego obwodu zastępczego pozwala na oszacowanie Rp, rezystancji polaryzacji.

EIS został również zastosowany na posągach z brązu w celu zbadania stabilności elektrochemicznej (odporności na korozję) zarówno brązu leżącego pod spodem, jak i patyny, która często tworzy się w korozyjnych środowiskach miejskich [3]. W tym przypadku spektroskopia Ramana i łączone techniki spektroelektrochemii (czytaj więcej poniżej) stały się nieocenione przy określaniu składu chemicznego patyny. Obie techniki (EIS i Ramana) znalazły także zastosowanie do badania składu patyn powstałych na starożytnych monetach z brązu [4]

Czyszczenie i renowacja dzieł sztuki za pomocą elektrochemii

Częścią pracy konserwatora jest przywracanie uszkodzonych artefaktów do ich pierwotnego stanu lub stanu możliwie najbliższego. Często wiąże się to z czyszczeniem ściernym lub zanurzaniem w chemicznych roztworach czyszczących. Jednak nie zawsze jest to możliwe, szczególnie gdy artefakt ma skomplikowane szczegóły.

The Rijksmuzeum w Amsterdamie napotkał właśnie taki problem. Aby zachować swoje unikalne artefakty, muzeum zatrudnia zespół konserwatorów specjalizujących się w różnych materiałach, w tym metalach, takich jak srebro. Wśród tego zespołu jest Joosje van Bennekom, starszy konserwator metali, który stanął przed wyzwaniem odrestaurowania delikatnej srebrnej ozdoby stołowej wykonanej w 1549 roku przez Wenzela Jamnitzera (Rysunek 2).

Matowienie, częsty problem srebra, pojawia się, gdy srebro reaguje ze związkami siarki w powietrzu, tworząc siarczek srebra (Ag₂S) i tworzenie typowego czarnego koloru kojarzonego z nalotem. Tradycyjne metody usuwania nalotów stwarzały ryzyko uszkodzenia skomplikowanych dzieł sztuki, co skłoniło do opracowania innowacyjnego rozwiązania: ołówka elektrolitycznego. To narzędzie, udoskonalone dzięki współpracy z badaczami i inżynierami, umożliwia precyzyjne, miejscowe czyszczenie zmatowionych srebrnych powierzchni bez ryzyka uszkodzenia.

From left to right: The silver table ornament that needed to be cleaned, a replica of the detailing made to test the electrolytic pencil prototype, and cleaning of one of the pieces from the Saint-Maurice d’Agaune abbey’s treasury.

Rysunek 2. Od lewej do prawej: Srebrna ozdoba stołu, która wymagała czyszczenia, replika wykonana w celu przetestowania prototypu ołówka elektrolitycznego oraz czyszczenie jednego z elementów ze skarbca opactwa Saint-Maurice d'Agaune.

Ołówek elektrolityczny odpowiada na to wyzwanie, oferując kontrolowany, zlokalizowany proces czyszczenia. Wykorzystuje elektrolizę do selektywnej redukcji siarczku srebra, przywracając powierzchnię bez uszkadzania delikatnych struktur dzieła sztuki. Pomimo początkowych wyzwań technicznych, w tym problemów ze stabilnością i szczelnością, ołówek udowodnił swoją skuteczność w renowacji średniowiecznych sztućców w szwajcarskim opactwie Saint-Maurice d'Agaune (ryc. 2). Dzięki sukcesowi udokumentowanemu w Internecie i bezpłatnemu dostępowi do projektu, ołówek elektrochemiczny został od tego czasu zastosowany do wielu innych artefaktów [5,6]

Elektrochemiczna spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym (EC-SERS) do nieniszczącej analizy pigmentów

Spektroskopia Ramana stała się potężną techniką w konserwacji dzieł sztuki [7]. Tradycyjna spektroskopia Ramana polega na świeceniu laserem na próbkę i analizowaniu rozproszonego światła w celu zidentyfikowania drgań molekularnych charakterystycznych dla określonych materiałów. Technika ta jest szeroko stosowana do analizy pigmentów, barwników, lakierów i innych materiałów organicznych i nieorganicznych stosowanych w dziełach sztuki. Tak długo, jak moc lasera jest dostrajalna, jego nieniszcząca natura sprawia, że jest on szczególnie cenny do badania delikatnych lub niezastąpionych obiektów.

Dowiedz się więcej o spektroskopii Ramana w naszej serii blogów.

Często zadawane pytania (FAQ) dotyczące spektroskopii Ramana: teoria i zastosowanie

Z natury słaby sygnał Ramana często utrudnia wykrywanie niektórych związków. Jednym z obszarów postępu w spektroskopii Ramana jest rozwój spektroskopii Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym (SERS), a także elektrochemicznej spektroskopii Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym (EC-SERS). EC-SERS łączy zasady spektroskopii Ramana z elektrochemią, aby zwiększyć siłę sygnału i czułość widma Ramana.

Przeczytaj nasze powiązane artykuły na blogu, aby uzyskać więcej informacji na temat SERS i EC-SERS.

Raman kontra SERS… Jaka jest różnica?

Spektroelektrochemia Ramana od Indii po Hiszpanię: historia i zastosowania

Badanie opublikowane przez naukowców z Ameryki Północnej koncentruje się na identyfikacji składników polifenolowych w pigmentach z żółtego jeziora, które są powszechnie stosowane w obrazach i innych dziełach sztuki [8] Tradycyjne metody analizy tych pigmentów często wymagają skomplikowanych etapów separacji. EC-SERS pozwala jednak na bezpośrednią analizę tych pigmentów bez konieczności separacji, wnosząc wartość dodaną jako narzędzie konserwacji dzieł sztuki.

Naukowcy wykazali skuteczność EC-SERS, analizując poszczególne związki polifenolowe, modelową mieszaninę barwników i dwa prawdziwe żółte pigmenty lakowe: jezioro Rezeda stil de grain (Rysunek 3). Przykładając napięcie do podłoża SERS, są w stanie selektywnie wykrywać różne składniki barwnika w pigmentach. Pozwala to na identyfikację obecności wielu polifenoli w każdym pigmentze, co byłoby trudne lub niemożliwe do osiągnięcia tradycyjnymi metodami.

The stil de grain color and the polyphenolic compounds that make up many of the yellow pigment and dyes used in artworks from classical artists such as Rembrandt. Bottom left: a hyphenated EC-Raman system from Metrohm Autolab.

Rysunek 3. Kolor stil de grain i związki polifenolowe, które tworzą wiele żółtych pigmentów i barwników używanych w dziełach klasycznych artystów, takich jak Rembrandt. Na dole po lewej: łączony system EC-Raman firmy Metrohm Autolab.

Wyniki badania podkreślają potencjał EC-SERS jako potężnego narzędzia konserwacji dzieł sztuki. Zapewniając czułą, selektywną i nieniszczącą metodę analizy naturalnych pigmentów, EC-SERS może pomóc konserwatorom w lepszym zrozumieniu i ochronie dzieł sztuki.

Podsumowanie

Elektrochemia okazała się cenną częścią zestawu narzędzi analitycznych dla konserwatorów/restauratorów dzieł sztuki. Kilka innych przykładów zastosowań potwierdza tę tezę. Należą do nich VIMP (woltamperometria unieruchomionych cząstek), która identyfikuje farby, oleje i podkłady na podstawie ich sygnatur redoks w skali ng [9] Sygnatura elektrochemiczna materiałów składowych została również wykorzystana jako metoda zarówno dokładnego datowania artefaktów, jak i potwierdzania ich autentyczności jako oryginałów [10].

Powszechne przyjęcie tych technik będzie wymagało współpracy, a w miarę wzrostu zainteresowania techniki z pewnością staną się bardziej dostępne dla osób niebędących ekspertami.