Chemická analýza historických materiálů a objektů kulturního dědictví
Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Chemická analýza historických materiálů a objektů kulturního dědictví
4,0 (1 hodnocení)
Článek v obecné rovině vysvětluje, na co je třeba se zaměřit při zkoumání historických objektů a metodu infračervené spektroskopie. Článek je výstupem evropského projektu <a href="http://projects.pixel-online.org/chemistry/index.php">Chemistry is All Around Us (CIAAU)</a>, v němž čeští odborníci řešili oblast Chemie a umění. Na tento příspěvek bude navazovat část Aktivity, která obsahuje popisy zkoumání konkrétních předmětů, přiložen bude i opakovací test.
Chemie a skrytá tajemství historických předmětů
Každý člověk hledá v minulosti vysvětlení pro současné události, nalézá poučení, pátrá po svých kořenech i po informacích, které by přinesly nové podněty do jeho života. Každý předmět, který vystoupí z hlubin minulosti, vypráví příběh o svém vzniku, o technologii, kterou byl vyroben, o zvycích a životě lidí, kteří ho používali, o své cestě časem.
Tam, kde kdysi stačil jeden člověk – umělec i technolog současně –, musí se dnes spojit několik různých oborů lidské činnosti. Umělci i vědci (malíři, sochaři, řemeslníci, historici, archiváři, jazykovědci, fyzici, chemici i biologové) jsou nuceni úzce spolupracovat, aby předměty prozkoumali, zdokumentovali, konzervovali, restaurovali a nakonec vystavili v celé kráse. Potom památky a umělecká díla mohou vyprávět své příběhy pro radost a poučení nás všech. Chemie se tak stává jedním z kamínků mozaiky trpělivé práce. Práce, která pouze čas od času přinese vzrušené okamžiky a nečekané objevy.
Tato spolupráce umělců a vědců má svá pravidla, daná nejenom zákony, ale i ta nepsaná, která dovolí využít invenci a fantazii umělce a skloubí ji se střízlivostí vědeckých postupů, která nedovolí publikování objevů a hypotéz bez jejich ověření.
Průzkum a zachování historických a uměleckých památek je oborem široce sledovaným a fotogenickým s potenciálem slávy tak lákavým, že je třeba velmi opatrně a kriticky hodnotit všechny získané informace a čas od času je znovu ověřit s použitím nově objevených metod a postupů moderní vědy. Vynalézavost lidstva je vysoká, touha po vlastnictví bezbřehá a padělatelé se činili již v době starověkých civilizací. Jedním z nejproslulejších padělatelů obrazů působících ve 20. století je Holanďan Han van Meegeren, na jehož odhalení měla svůj podíl i bouřlivě se rozvíjející chemie využívající nové metody analýzy – tj.
Denně dochází k objevům zapomenutých nebo dosud neznámých uměleckých děl, ztracených artefaktů, je nutno poskytovat nezbytnou péči stavebním památkám a konzervaci muzejních sbírek. V těchto případech je chemie jedním z mnoha oborů, avšak poskytuje zcela nezastupitelné informace o materiálu a technologiích vzniku díla. Bez těchto znalostí nelze zajistit slučitelnost starých a nových materiálů používaných pro konzervaci a restaurování díla.
I v České republice najdeme mnoho památek, pro které přírodovědný průzkum včetně chemického zajistil ty nejlepší podmínky pro jejich ochranu a zachování pro budoucí pokolení.
České korunovační klenoty při mineralogickém průzkumu zdráhavě vydaly některá svá tajemství (http://www.korunovacni-klenoty.cz/index.php?lang=en&menu=0&page=3), ale další neznámé je třeba ještě objevit a doufejme, že v budoucnu zde také chemie nalezne své uplatnění.
Pojďte s námi na cestě poznání historie a umění netradičními prostředky a postupy přírodních věd, vstupte s námi do světa chemie a můžete se v budoucnu postavit do řady s mnoha pracovníky výzkumných ústavů, vysokých škol, muzeí, galerií i nadací, kteří odhalují tajemství dob minulých.
Přírodovědný průzkum památek a uměleckých děl – plánování analýzy
Pro potřeby záchrany, restaurování objektů kulturního dědictví je potřeba komplexní průzkum díla, který zahrnuje také chemickou analýzu použitých materiálů. Průzkum díla je multidisciplinární obor, který vyžaduje spolupráci chemika analytika, umělce restaurátora-konzervátora, majitele a historika umění (kunsthistorika).
Pro chemickou analýzu díla je nezbytné znát historii objektu a jeho proměny v čase, místo uložení, materiál, ve kterém byl uložen, technologii výroby, předchozí konzervátorské zásahy atd. Plánování postupu analýzy zahrnuje znalosti objektu a také přesně zadaný důvod a cíl analýzy. Také je důležité znát chemické mechanismy degradačních procesů a „vzájemné působení novodobých materiálů s původními materiály“, tak zvanou interakci.
Proto předtím, než odebereme vzorek pro chemickou analýzu z objektu, měli bychom si položit následující otázky:
Jak byl objekt vyroben?
Kde byl objekt zhotoven?
Jaká je historie objektu?
Který je důvod analýzy objektu?
Které informace potřebujeme?
Jsou všechny části objektu původní?
Proč byl vyroben?
Pro koho byl určen?
Na některé tyto otázky je možné najít odpovědi pomocí analytických metod, chemických i fyzikálních a konzultacemi se specialisty v oboru historie umění. Na poslední dvě otázky však přírodovědný průzkum neposkytne odpovědi přímo, naznačí pouze některé indicie, které musí analytický tým správně interpretovat.
Principy analytických metod využívajících elektromagnetické záření
Většina současných analytických metod používaných při průzkumu památek kulturního dědictví by měla být nedestruktivní a to splňují metody založené na „principu vzájemného působení“neboli interakce elektromagnetického záření s hmotou. Obor, který se tímto jevem zabývá, se nazývá spektroskopie (spektrum = obraz, scopio = pohled, prohlížet), viz http://cs.wikipedia.org/wiki/Spektroskopie. Pomocí spektroskopie tak dokážeme nahlížet nejen do mikrosvěta, ale i do vesmírných dálek, poodhalujeme dálky minulosti, nahlížíme bezbolestně do lidského těla, využívá ji průmysl a zemědělství a i kriminalisté ji často žádají o pomoc. Hloubka pohledu do hmotného světa pak závisí na energii a vlnové délce záření, které jsme ke zkoumání využili.
Světlo, které vnímáme, je elektromagnetické záření, jeho část o vlnové délce 400–750 nm (http://cs.wikipedia.org/wiki/Metr). Když člověk otevře oči a obdivuje krásy země, vyhodnocuje vlastně údaje, které do oka přináší elektromagnetické záření, a člověk je jakýmsi pochodujícím spektrometrem, který využívá slunce jako zdroj záření, naše oko jako detektor a na závěr využívá náš mozek jako analytickou koncovku.
Podobně jako v přírodě, tak i ve spektrometru (http://cs.wikipedia.org/wiki/Spektrometr) potřebujeme zdroj záření, nějaký optický prvek, který rozloží toto záření na jednotlivé vlnové délky, pak potřebujeme detektor, který zjistí, jaké množství záření o jakých vlnových délkách vzorkem prošlo, od vzorku se odrazilo nebo rozptýlilo, případně, zda se změnila vlnová délka, a toto je podstata spektroskopie.
Poučka dobrých manažerů je „rozděl a panuj“ a i věda tuto poučku používá, sice mírně pozměněnou, ale je to „roztřiď a rozděl, abys lépe pochopil“. Tak a teď budeme trochu třídit.
Wawe
Elektromagnetické záření nese jisté množství energie, současně se i vlní, má různé frekvence vlnění a s frekvencí je spojen i pojem vlnové délky (obr.2), viz http://cs.wikipedia.org/wiki/Vlnov%C3%A1_d%C3%A9lka. Čím vyšší je frekvence záření, tím kratší je jeho vlnová délka a vyšší energie, čím vyšší je množství energie, kterou elektromagnetické záření nese, tím je pro živý organismus nebezpečnější.
Máme „záření o jedné vlnové délce“, tomu říkáme monochromatické. Pokud s sebou záření nese „několik a někdy až nekonečné množství vlnových délek“, je to záření polychromatické. Typickým polychromatickým zářením je sluneční světlo.
Paprsky světla se při přechodu z jednoho prostředí do jiného lámou, například když světlo dopadá šikmo na průhledný materiál, jako je sklo nebo voda. Různé materiály zpomalují světlo rozdílně, takže lom nastává vždy pod jiným úhlem. Kromě světla to platí pro veškeré elektromagnetické záření.
elektronové, je to záření elementárních částic proudu elektronů, jeho vlnová délka je velmi malá, v řádech pikometrů, ale nese s sebou obrovské množství energie a dokázalo by nás i zabít,
ultrafialové (UV), jehož vlnová délka je o něco delší, ale pořád v řádech desítek až stovek nanometrů a je pro nás též nebezpečné. Vyzařuje ho slunce, ale lidské oko ho nedokáže vnímat,
infračervené (IR) patří už mezi záření dlouhovlnná, s vlnovou délkou (760 nm–1 mm), to je větší než viditelné světlo, ale menší než mikrovlnné záření a vyzařují ho zahřáté předměty, oheň a samozřejmě slunce. Kromě červeného viditelného světla nese i tepelné záření, které už nevidíme, protože na něj naše oko není přizpůsobené,
delší vlny má už mikrovlnné záření, které nám dovolí zkoumat třeba parametry vesmíru, ale také ho známe třeba z mikrovlnné trouby,
a nejdelší jsou pak vlny rádiové.
Vlnové délky využívané ve spektroskopii jsou velmi malinkaté, používají se délky v řádech mikrometr, což je „milióntina metru“ nebo ještě menší, což je nanometr (http://cs.wikipedia.org/wiki/Nm). A tyto malé velikosti nám vlastně přinášejí informace, které můžeme docela dobře využít v analytické chemii a rovněž i v praktickém životě.
Záření můžeme také dělit podle fyzikálního jevu, který sledujeme, takže máme záření emisní, absorpční a fluorescenční a tyto jevy můžeme také analyticky využít. Víte, co to znamená emise záření?
V mikrosvětě je všechno v neustálém pohybu a i my, když sedíme v klidu, se uvnitř pohybujeme. Elektrony v nás krouží po oběžných drahách kolem jader, atomy kmitají na chemické vazbě molekul (http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy#Absorption_bands), a všechen tento pohyb, když se na něj posvítí, když ho zahřejeme, se ještě zrychlí. Jestliže přidáme nějaké množství energie do soustavy, kterou měříme, posvítíme si na ni infračerveným světlem, tak tu soustavu takzvaně excitujeme, „zvýší se energetický náboj“. Ale v přírodě běží vše do rovnováhy, takže toto množství energie, které vzorek původně pohltil při své excitaci, chce zpátky, ven, je tedy ze vzorku „vyzářeno“ a tomu říkáme emise záření, která se dá analyticky využít, stejně tak jako absorpce. Jestliže probíhá excitace molekuly, musí molekula absorbovat jisté množství energie, a když my měříme rozdíl intenzit záření před vzorkem a po vzorku, získáme vlastně informaci o tom, která část záření se ve vzorku absorbovala, a to nám přinese informace o tom, jak vypadá chemické složení toho vzorku.
Takže si vlastně můžeme říct, že spektroskopie je dar fyziky chemikům a na základě poznatků spektroskopie mohou chemici zkoumat záření, která vyzařují nebo pohlcují zkoumané vzorky nebo objekty, a z vyzářených spekter (http://www.ftir.cz/cesky.htm) identifikovat neznámou látku.
Metody, které chemik analytik využívá
Při našem průzkumu historických a uměleckých předmětů většinou začneme u metod zobrazovacích(http://cs.wikipedia.org/wiki/Optika#Fotometrie ), které dovolí pořídit fotodokumentaci v různém světle, tedy viditelném, ultrafialovém, červeném a infračerveném, můžeme snímkovat roentgenovou fotografií, stejně jako zobrazujeme nemocné lidské tělo. Dále pořídíme snímky pod různým zvětšením, tedy zobrazovací technikou, která zdokonalí náš zrak tak, abychom mohli prozkoumat i velmi malé detaily předmětu. K tomu se používají optické mikroskopy (http://cs.wikipedia.org/wiki/Mikroskop), fluorescenční mikroskopie i elektronová mikroskopie, jež nás dovedou k obrazové analýze, kdy na základě tvaru a velikosti jemných zlomků můžeme usoudit na složení památky.
řez
řez
Pokud je zapotřebí znát, které chemické látky se vyskytují ve zkoumaném předmětu, musíme už využít jiný typ analytické metody, a v tom případě nám pomůže odhalit tajemství chemické struktury infračervené světlo, které dokáže „strčit nos“ všude, měřit kdeco a ani nám zkoumaný vzorek nepoškodí. Je vhodná obzvláště pro analýzu organických sloučenin, protože infračervená spektroskopie (http://cs.wikipedia.org/wiki/Infra%C4%8Derven%C3%A1_spektroskopie ) nám umožní sledovat vibrační vazby v molekulách. Taky nám umožní získat potřebné informace z poměrně malého vzorku, a pokud sama neuspěje, dokáže poskytnout návod, kterým způsobem ten vzorek analyzovat dál a jak získat další množství informací, které pak mohou restaurátoři využít.
Principem této metody je absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem, při níž dochází ke změnám rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly (http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy#Absorption_bands). Analytickým výstupem je infračervené spektrum, které je grafickým zobrazením funkční závislosti energie, většinou vyjádřené v procentech transmitance (T) nebo jednotkách absorbance (A) na vlnové délce dopadajícího záření, respektive na vlnočtu, který je převrácenou hodnotou vlnové délky (http://cs.wikipedia.org/wiki/Vlnov%C3%BD_vektor ).
Absorpční pásy mající vrcholy v intervalu vlnočtů 4000–1500 cm-1jsou vhodné pro identifikaci funkčních skupin organických látek (např. –OH, C=O, N-H, CH3 aj.). Pásy v oblasti 1500–400 cm-1 jsou nazývané oblastí „otisku palce“ (fingerprint region). Pomocí „Search programů“ a digitalizovaných knihoven infračervených spekter ((http://www.ftir.cz/cesky.htm) je možno porovnáním spekter identifikovat neznámou analyzovanou látku.
Na změření spektra zkoumaného vzorku potřebujeme přístroj, který se jmenuje spektroskop (http://cs.wikipedia.org/wiki/Spektroskop) a který nám díky důvtipu mechaniků, matematiků a sofistikovaných počítačových programů záření zpracuje do spekter, ze kterých pak můžeme usuzovat na chemické složení zkoumaných objektů.
shellac
Jedním z používaných typů přístroje pro infračervenou spektroskopii je infračervený spektrometr s Fourierovou transformací(FT-IR) (http://lms.vscht.cz/).
transformace
I toto je chemie, jejíž znalost se dá využít nejenom při analýze uměleckých a historických materiálů, ale která poslouží i v jiných odvětvích občanského života, v průmyslu, zemědělství, zdravotnictví. Vždyť každý z nás je v podstatě chemickým reaktorem a každá naše myšlenka je podpořena specifickou chemickou reakcí.
Nebojte se chemie, můžete ji přijít studovat třeba na VŠCHT v Praze (www.vscht.cz), zažijete s ní vzrušující okamžiky při objevování nových světů. Podívejte se na stránky Ústavu technologie restaurování památek(http://www.vscht.cz/rud/index-en.htm), nebo se podívejte na videozáznamy ze Dne otevřených dveří na VŠCHT Praha ( Den, Keramika, Sklo), třeba pro vás budou inspirací pro volbu vašeho budoucího povolání.
A jestli máte ještě půl hodiny času, poslechněte si stanici Český rozhlas Leonardo, pani Ing. Mirku Novotnou z Centrálních laboratoří této university, jak poutavě dokáže o různých zajímavostech ze spektroskopické praxe vyprávět (http://www.rozhlas.cz/leonardo/anonce/_zprava/415396).
Pokud byste se chtěli spolu s rádiem Leonardo zamýšlet nad tím, jak se vzájemně snášejí exaktní vědy včetně naší chemie, humanitní vědy a umění, nabízíme k poslechu pořad Trojúhelník věd a umění (http://www.rozhlas.cz/leonardo/veda/_zprava/348560).
Tento výukový text vznikl jako součást projektu Chemistry is All Around Us (CIAAU), financovaného Evropskou komisí, prostřednictvím Výkonné agentury pro vzdělávání, kulturu a audiovizuální oblast (EACEA) v rámci programu Leonardo da Vinci, Podpora evropské spolupráce v oblasti vzdělávání a celoživotního učení, http://www.chemistry-is.eu/.
