Ядерные технологии способствуют сохранению и изучению культурного наследия
Ядерная наука и технологии часто используются для изучения и сохранения ценнейших объектов культурного наследия. О том, как это происходит на практике, – в материале, подготовленном нашими коллегами из Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).
К объектам культурного наследия может относиться что угодно – от картин, одежды и музыкальных инструментов до статуй, оружия и доспехов, египетских мумий и древних кораблей. Культурные учреждения все чаще используют ядерные и смежные методы для анализа и сохранения произведений искусства и других предметов, имеющих историческую ценность. Ядерные методы помогают обнаружить скрытые картины под полотнами, нарисованными поверх на том же холсте, а также выявить даже самые хитроумные подделки без вреда для исследуемого объекта. Кроме того, некоторые методы, в которых используется облучение, позволяют обеззараживать объекты культурного наследия, очищая их от бактерий и грибков, а также уничтожать вредителей.
Характеризация
Характеризация – это процесс, позволяющий экспертам с высокой точностью исследовать свойства археологических находок и предметов искусства, определяя их возраст, химический состав и происхождение. Процесс характеризации культурного наследия не опирается на единичный метод, а использует множество различных ядерных технологий, типов оборудования и видов излучения, включая рентгеновские лучи, гамма-лучи, нейтроны и ионные пучки.
Характеризация позволяет исследователям узнать, когда, где и как был создан тот или иной предмет. Она также предоставляет реставраторам важную информацию о том, как можно наиболее эффективно сохранить уникальные археологические артефакты. Кроме того, она позволяет специалистам определить, является ли предмет подлинным, а также установить, имеет ли он какое-либо отношение к незаконной торговле произведениями искусства. Характеризация также может помочь выявить наличие внутренних дефектов, включая трещины, надломы и изъяны в артефакте, даже если они не видны невооруженным глазом.
Секреты Леонардо да Винчи
Одним из методов, используемых для анализа элементного состава картин, рукописей, монет и керамики, является рентгенофлуоресцентный анализ (РФА). Будучи подвергнутыми воздействию рентгеновских лучей, химические элементы в образце начинают испускать излучение. Это излучение является уникальным для каждого элемента, что позволяет точно определить состав объекта.
В 2010 году с помощью РФА французскими учеными была проанализирована «Мона Лиза» – шедевр XVI века, созданный итальянским художником Леонардо да Винчи. Исследователи изучили состав и толщину различных слоев краски и лессировки, что позволило им лучше понять применявшуюся да Винчи технику «сфумато», благодаря которой картина выглядит настолько реалистично.
Другие подходы, используемые для изучения химического состава и структуры материалов, включают дифракцию рентгеновских лучей (РД), нейтронно-активационный анализ (НАА) и различные методы использования ионных пучков. К ним относятся индуцированное протонами рентгеновское излучение (ИПРИ), индуцированное частицами гамма-излучение (PIGE) или масс-спектрометрия с использованием ускорителя (МСУ).
Среди произведений искусства, элементный состав которых был проанализирован с помощью ядерных методов: древний портрет Святого Георгия из Албании; «Сальера» – скульптурное произведение, созданное пять веков назад Бенвенуто Челлини, похищенное и позже найденное в лесах Австрии; артефакты из золота и драгоценных камней древнего Королевства Аюттхая, существовавшего на территории современного Таиланда в XIV–XVIII веках.
Датирование
Для определения возраста предметов из органических материалов, например дерева, хлопка, бумаги, кожи, шерсти, шелка или кости, ученые могут использовать метод, называемый радиоуглеродным датированием. Все живые организмы, включая животных и растения, поглощают углерод. Когда организм умирает, углерод-14 – нестабильный изотоп углерода – распадается со скоростью, которую можно вычислить. Используя МСУ, специалисты измеряют соотношение углерода-14 в произведениях искусства из органических материалов, чтобы определить, сколько времени прошло с момента его создания. Этот метод позволяет определить возраст объектов культурного наследия вплоть до 50 тысяч лет.
В 2019 году с помощью радиоуглеродного датирования эксперты из Франции смогли доказать, что две известные картины, исполненные в стиле импрессионизма и пуантилизма, являются подделками. Они установили, что холсты были изготовлены после 1950-х годов, в то время как картины предположительно были созданы примерно в начале ХХ века.
Радиоуглеродное датирование также применялось для определения возраста бронзовой статуи Капитолийской волчицы в Италии; бронзовой статуи Апоксиомена, найденной в водах Адриатического моря у побережья Хорватии; и древней системы аквакультуры в стране народа гундиджмара в Австралии.
Неизвестные картины Пикассо
Для анализа внутренней структуры и целостности объектов культурного наследия ученые используют промышленную радиографию. Они пропускают рентгеновские лучи, гамма-лучи или нейтроны через объект, чтобы увидеть его внутреннюю структуру. Когда излучение попадает на пленку или специальную цифровую камеру, расположенную с другой стороны, оно создает изображение того, что скрыто от глаз, включая внутренние дефекты или трещины.
Более того, рентгеновские снимки картин часто помогают обнаружить более ранние картины художников, скрытые под краской. К примеру, рентгеновский анализ картины Пикассо «Старый гитарист» – одной из самых известных работ «голубого периода» художника – показал, что автор повторно использовал старый холст. Под краской находились два более ранних рисунка: пожилая женщина со склоненной головой и молодая мать с ребенком на коленях.
Среди похожих примеров – проведенный в Великобритании анализ картины Винсента Ван Гога «Голова крестьянки», в результате которого был обнаружен скрытый автопортрет художника.
Дезинфекция
Обеспечение долгосрочной сохранности уникальных исторических артефактов может быть сложной задачей. Неправильные условия хранения могут привести к появлению плесени, бактерий, насекомых и других вредителей внутри артефакта или на его поверхности, что может привести к порче или даже полному разрушению ценнейших объектов культурного наследия. Ионизирующее излучение может помочь в уничтожении таких вредителей.
Чтобы обеззаразить предметы, специалисты облучают их с помощью специального оборудования, такого как ускорители высокоэнергетических электронных пучков, рентгеновские аппараты или гамма-облучательные установки, содержащие радиоактивные источники на основе кобальта-60 или цезия-137. Как правило, для облучения артефакта при помощи гамма-облучательной установки его сначала доставляют в специализированное помещение. Там он подвергается воздействию ионизирующего излучения, после чего артефакт выносят из помещения, дезинфицируют и обеззараживают.
Известным примером исторического артефакта, подвергшегося такой обработке, является 3200-летняя мумия египетского фараона Рамсеса II. В 1977 году во Франции она была продезинфицирована с помощью гамма-облучения для уничтожения насекомых и грибков. Среди других примеров – дезинфекция книги из библиотеки Дворца мира в Нидерландах; кинокассет из Национального киноархива Румынии; детеныша мамонта, найденного в вечной мерзлоте в Сибири; а также деревянных иконостасов в церкви святых воевод Михаила и Гавриила в Румынии.
Когда вещество подвергается облучению, под воздействием энергии его структура меняется на молекулярном уровне. Однако в зависимости от химического состава, типов присутствующих в материале химических соединений, продолжительности и интенсивности облучения, эффект воздействия радиации на различные материалы отличается. Правильно проведенная обработка наносит вред только вредителям и загрязнителям, не причиняя никакого вреда обрабатываемому объекту.
Реставраторы используют низкие дозы радиации, которые не наносят вреда объектам культурного наследия. После обработки они не становятся радиоактивными и не способны облучать окружающих. Объекты остаются такими же, какими они были раньше, не считая того, что они прошли дезинфекцию.
Обычно для дезинфекции объектов культурного наследия специалисты применяют химические и физические методы. Они основаны на использовании ядовитых веществ или термической обработки и поэтому могут быть вредны для самих предметов, здоровья реставраторов и окружающей среды. К тому же оба подхода могут быть дорогостоящими. Кроме того, ни один из них не может гарантировать полного уничтожения вредителей, если насекомые или черви находятся достаточно глубоко.
В сравнении с традиционными методами использование облучения имеет ряд преимуществ: его можно применять при комнатной температуре без физического контакта с объектом или необходимости использования каких-либо дополнительных веществ. Также оно не оставляет следов и не наносит ущерба обрабатываемым материалам. Любые риски можно свести к минимуму, если проводить радиационную дезинфекцию в условиях строгой безопасности и в хорошо защищенном помещении.
Консолидация
Облучение можно использовать для восстановления химических связей в поврежденных предметах, что способствует укреплению и упрочнению артефактов. Этот метод основан на пропитывании предмета или материала жидкой смолой и последующего облучения. Использование этого метода позволяет сделать предмет прочнее и крепче. Кроме того, он практически не затрагивает внешний вид предмета, однако сам материал, его физические и химические свойства преобразуются.
Например, в 2011 году облучению был подвергнут деревянный древнеримский корабль I века, найденный в реке Рона в Арле, Франция. Во время просушки его древесина начала крошиться. Чтобы спасти древнюю реликвию, специалисты из ARC-Nucléart использовали метод консолидации: они пропитали древесину корабля полиэтиленгликолем и подвергли его воздействию ионизирующего излучения, чтобы упрочнить древесину и не дать кораблю рассыпаться.