文物的微观世界之显微分析
2019年12月19日 信息来源:肖亚 目前浏览:2516次


文物,作为人类社会活动中遗留下来的具有重要的历史、文化、科学价值的载体,是我们了解人类社会发展的宝贵遗产。在科技高度发展的今天,我们眼中的文物不再只是艳丽的外表与精美绝伦的造型。科技给了我们一双眼睛,让我们能够透过文物的表象,看到一个隐藏在文物中的不一样的微观世界。在这个丰富多彩的微观世界里,我们常常能跨越漫长的历史长河,去解析文物从出现到呈现在我们眼前时所经历的种种。往往,一个碎片,就能为我们讲述一个故事,而显微分析技术正是我们与文物沟通的最重要、最基本的工具。文物研究中,常见的显微分析技术主要包括光学显微分析和电子显微分析两大类。


光学显微分析

光学显微镜是利用光学原理把人眼所不能分辨的微小物体放大成像,以帮助人们了解微细结构信息的光学仪器。常见的光学显微镜有体式显微镜、偏光显微镜、金相显微镜,以及近年来被广泛运用到文物研究中的超景深显微镜。光学显微镜因其操作简单,覆盖面广,在出土玉器和石器的表面微痕研究、植物遗存分析、金属文物合金组分与制作工艺研究(图二、图三)、古陶瓷烧制工艺研究(图四)、古木材树种鉴定(图五)等方面被广泛应用。


图一  超景深显微镜


我所科技考古与文物保护中心配备的日本基恩士VHX-5000超景深三维显微系统,放大倍数可达2000倍,具备三维全方位观察系统,可实现超高分辨率观测、实时深度合成、多焦平面图像复合、在线实时精确测量等功能。


图二  青铜残片金相组织光学显微照片(X200)

益阳黄泥湖楚墓群出土铜戈援部残片,保存状况较好,铅锡青铜(Cu:74.6%,Sn:19.0%,Pb:3.0%)铸造组织,可见典型的枝晶状铸造组织,表明该青铜戈为铸造而成。


图三  完全腐蚀的青铜残片偏光显微分析

益阳黄泥湖楚墓群出土铜箭镞镞头金相组织偏光显微照片(X200偏光)。样品已完全腐蚀,腐蚀产物保留明显的铸造树枝晶“痕像”,表明该箭镞是铸造而成。


图四  古陶瓷残片截面光学显微分析 (邱玥供图)

长沙窑青釉绿彩瓷片,通过截面的光学显微分析,能够清晰地看到釉和彩之间的关系,绿彩在青釉的上方,为釉上彩。


 

图五  木材切片光学显微分析(张晓英供图)

杨家山椁板木材切片的鉴定,通过木材切片的横切(左)、径切和弦切(右)三个面上细胞和组织的宏观构造特征和微观构造特征,可鉴定出该椁板为春榆制作而成。


电子显微分析

电子显微分析因其更高的分辨率和放大倍数,以及能装入更多的探测器,获取样品的微区成分和晶体结构等普通光学显微分析技术所不能得到的信息。在文物研究过程中,应用最为广泛的是扫描电子显微镜。扫描电子显微镜与光学显微镜成像原理不同,是以类似于电视摄影显像的方式,利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。与光学显微镜相比,扫描电子显微镜最大的优点在于放大倍数高,放大倍数可以从数倍原位放大到20万倍左右。此外,扫描电镜常与能谱仪组合在一起,在背散射成像的模式下,可以同时对样品的微观形貌和微区化学成分进行分析。因此,扫描电镜有着其他显微分析仪器不可替代的优势,被广泛应用纺织品纤维结构分析、壁画颜料分析、金属文物的锈蚀产物和制作工艺研究(图七)、石质文物及土遗址的病害诊断(图八)、冶炼遗物分析(图九、图十)等各个方面。


图六  扫描电子显微镜-能谱仪


我所科技考古与文物保护中心配备的德国卡尔蔡司EVO MA 10钨灯丝扫描电子显微镜。该仪器腔体尺寸大,最大样品尺寸可达23cmX10cm,二次电子模式分辨率可达3纳米。此外,该仪器配备有德国布鲁克X射线能谱仪,能在微观形貌观测的同时,进行样品微区化学成分的定性、半定量分析,以及对特定选区的元素线分布和面分布分析。


图七  金相组织扫描电镜显微照片

益阳黄泥湖楚墓群出土铁斧残片,灰口铁和白口铁组织共存的麻口铸铁,石墨(图中黑色)呈F型(星状或蜘蛛网状)分布。


图八  土遗址中的病害分析

汤家岗遗址本体病害,土体疏松多孔,样品内部孔隙分布不均匀,孔隙中还发现有虫子的尸体和排泄物,可确认土壤中的多孔结构应该为虫害导致的结果。


图九  选定区域的多元素面分布

桐木岭遗址炼铅渣高铅颗粒中铅、银、铜、铁、硫元素的面分布图,冰铜颗粒包裹方铅矿,原炼铅原料应为铅硫化矿,并伴生有铜和银。


图十  冶炼遗物分析

桐木岭遗址锌炼渣,通过对炼渣的分析,能够获取冶炼原料、冶炼技术与工艺过程等隐藏的信息,为复原古代科学技术提供依据。

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