کاربرد طیف سنج در آنالیز آثار هنری

نقاشی‌ها غالباً دارای یک پیشینه تاریخی و مالکیت هستند. اثبات این موضوع برای تصدیق اصالت یک نقاشی بسیار مهم است. یکی از روش‌های شناسایی، نوع و ترکیب رنگ‌های به کار رفته در آثار هنری است که با گذشت زمان تغییر می‌کند. برای مثال نقاشی‌های قرن بیستم اکثراً حاوی ترکیبات فلزی هستند؛ چرا که بیشتر رنگدانه‌های موجود در آن زمان نمک‌های فلزی بوده‌اند. برخی از ترکیبات نیز به دلیل سمی بودن بعدها مورد استفاده قرار نگرفته و مختص آن زمان بوده؛ مانند رنگدانه‌های حاوی سرب، آرسنیک و جیوه. یکی از کاربردهای مهم طیف سنج نوری تجزیه و تحلیل آثار گرافیکی مربوط به گذشته است. اسپکترومتری برای اندازه‌گیری رنگ دقیق یک نمونه و مطابقت با دیتابیس به منظور شناسایی موادِ مورد استفاده در آن اثر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این به محققان کمک می‌کند تا اطلاعات مهمی در مورد اثر هنری به دست آورند.

تأثیر شناخت رنگدانه های نقاشی در حفاظت آثار

رنگدانه‌ها منبع اصلی اطلاعات برای حفظ آثار هنری و عناصر اصلی برای نسبت دادن اثر به یک هنرمند و نیز کشف جعل‌ها هستند. شناسایی رنگدانه‌ها برای یافتن روش‌های بازسازی، شرایط محیطی نمایش، نگهداری و حمل و نقل اهمیت بسیاری دارد. از دهه ۱۹۳۰ تعداد آزمایشگاه‌های موزه‌ها در دنیا به میزان چشمگیری افزایش یافته است و دانشمندان حوزه حفاظت آثار از طیف گسترده‌ای از روش‌های تحلیلی برای شناسایی رنگدانه‌های نقاشی‌ها استفاده کرده‌اند.

یکی از اولین ارزیابی‌های رنگدانه‌های نقاشی‌های باستانی، با استفاده از تکنیک اسپکتروفتومتری در سال ۱۸۸۸ انجام شد. از طیف سنجی رامان نیز برای مشخص نمودن رنگدانه های نقاشی، پیوندهای معدنی و مواد تخریب‌کننده با دو هدف در آثار هنری استفاده می‌شود؛ یکی برای شناخت مواد و تکنیک اجرایی و دوم برای بررسی وضعیت حفاظت و تشخیص اصالت اثر. دستگاه رامان پرتابل نیز به واسطه قابلیت حمل گزینه بسیار مناسبی برای شناسایی رنگدانه های آثار هنری در موزه ها است.

شکل ۱- بررسی رنگدانه‌های آثار هنری با طیف‌سنج

روش های تحلیلی که برای شناسایی رنگ های موجود در آثار هنری به کار می رود

استریو میکروسکوپ، طیف سنجی جرمی، py-GC، میکروسکوپ نوری (PLM)، آزمایش های میکروشیمیایی، میکروسکوپ الکترونی روبشی اشعه X (SEM-EDS)، اسپکتروفتومتر، XRF، پراش پرتوی اشعه X، طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و طیف سنج رامان پرتابل، از ابزارهای مورد استفاده برای تعیین ترکیب کلی، تجزیه و تحلیل ترکیب ابتدایی ذرات، کدورت، حلالیت، بافت و برق رنگدانه‌ها است. به عنوان مثال امکان تطبیق رنگدانه‌های یک اثر هنری با رنگدانه‌هایی که قبلاً تأیید شده‌اند، به راحتی می‌تواند مشخص کند که یک نقاشی اصیل است یا خیر. هر کدام از این روش‌ها دارای مزایا و معایبی هستند که بنا بر اقتضای کاربری مورد استفاده قرار می‌گیرند. تکرارپذیری آزمایش برای پذیرش یک روش از اهمیت زیادی در این حوزه برخوردار است. چرا که رنگ‌ها هم از نظر طول موج و هم از نظر ترکیبات، طیف بسیار گسترده‌ای دارند و هر گونه خطا در شناسایی و عدم تکرارپذیری می‌تواند موجب تشخیص نادرست شود.

تجزیه و تحلیل رنگدانه ها با طیف سنج

بررسی رنگ ها ممکن است به بررسی یک پالت رنگی محدود شود و یا پروژه‌ای به بزرگی رمزگشایی یک طرح هنری پیچیده باشد. رنگ، یک کیفیت ادراکی است و هنگامی که در مورد اندازه‌گیری رنگ صحبت می‌کنیم، درواقع در مورد اندازه‌گیری تغییر در خواص نوری (شدت، بازتاب و انتقال) آن رنگدانه صحبت می‌کنیم. به طور معمول به این اندازه‌گیری با طیف سنج، طیف سنجی می‌گویند و خروجی آن یک طیف است. نحوه کار به این صورت است که ابتدا نور توسط منبع نور به نمونه می‌تابد. سپس مقدار نور بازتابی از آن با مقدار نور بازتابی از یک جسم استاندارد (معمولاً یک نوع تفلون سفید) که قبلاً یک بار گرفته شده مقایسه و خروجی توسط نرم‌افزار به صورت یک شماره رنگ گزارش می‌شود. این روش غیر مخرب است و هیچ تغییری در نمونه ایجاد نمی‌کند. سادگی استفاده از طیف سنج و قابلیت حمل آن، موجب شده که کارخانه‌های تولیدی رنگ‌های نقاشی و نیز سازمان میراث فرهنگی با اطمینان و به راحتی از این روش استفاده نمایند.

شکل ۲- طیف جذب رنگدانه های مختلف به کار رفته در آثار هنری

شناسایی مواد و رنگدانه های به کار رفته در نقاشی ها با طیف سنج رامان

شناسایی رنگدانه‌های روی نسخه‌های خطی، نقاشی‌ها، سفال، سرامیک، پلی‌کروم‌ها و … در یافتن راه حل برای ترمیم، حفاظت، تخمین قدمت، و احراز هویتِ آثار هنری بسیار مهم است و روش‌های بسیاری برای این هدف مورد استفاده قرار گرفته است. طیف سنجی رامان به لطف پیشرفت‌های اخیر در اپتیک و آشکارسازها مناسب‌ترین گزینه برای این کار از نظر وضوح بالای مکانی و طیفی، تکرارپذیری، غیرمخرب بودن و حساسیت آن است. از آنجایی که رامان تکنیک بسیار حساسی است، قادر است طیف مقدار بسیار کمی از رنگ (در حدود میکروگرم) را نیز استخراج نماید. قبل از توسعه اخیر طیف سنج های رامان قابل حمل، دسترسی به این نوع تجزیه و تحلیل به دلیل اندازه ابزار و نیاز به کالیبراسیون مجدد پس از جابه‌جایی‌ها، کار مشکلی بود؛ چرا که یا اثر هنری می‌بایست به محل آزمایشگاه منتقل شود (که محدودیت‌های امنیتی مانع بود) و یا دستگاه به محل موزه برده می‌شد که مشکلات جابه‌جایی دستگاه را به همراه داشت. طیف سنج رامان پرتابل شناسایی رنگدانه‌های آثار هنری را بسیار ساده و بی دردسر کرده است.

شکل ۳- تمییز طیف رنگ قرمز در اثر هنری با طیف سنجی رامان

 تشخیص رنگ های طبیعی از مصنوعی در نقاشی چگونه است؟

رنگدانه طبیعی از مواد موجود در طبیعت مانند سبزیجات، حیوانات، مواد معدنی، زردچوبه، خاک قرمز، ذغال و … استخراج می‌شود. تا قرن نوزدهم، رنگدانه‌های طبیعی پایه‌ای برای رنگ‌های روغنی بوده‌اند. پس از آن رنگدانه‌های مصنوعی و مبتنی بر نفت ساخته شد. اما امروزه نیز در بسیاری از صنایع برای چاپ، بافت، نقاشی و … از مواد طبیعی استفاده می‌کنند، چرا که با محیط زیست سازگارند و خطری برای انسان ندارند. از آنجا که برخی رنگ‌های مصنوعی سمی هستند، شناسایی نوع رنگ (مصنوعی یا طبیعی) و غیر سمی بودن آن اهمیت بسیاری دارد. برای مثال تماس زیاد با رنگ‌های مصنوعی که شامل بنزیدین و نفتالیامین هستند، احتمال ایجاد سرطان مثانه به همراه دارد. اما خوشبختانه ساختار این نوع رنگ‌ها و به طور کلی ساختار رنگ‌های مصنوعی به خوبی توسط روش‌های طیف سنجی از رنگ‌های طبیعی قابل تفکیک است؛ به این صورت که الگوی خطوط طیفی این دو دسته رنگ در نرم‌افزار قابل مشاهده و اندازه‌گیری است و حتی در صورت اختلاط این دو رنگ، طیف سنج ها قادر به شناسایی ساختار آن‌ها هستند.

شکل ۴- تفاوت طیف رامان رنگدانه طبیعی و مصنوعی

نحوه اندازه گیری رنگ با استفاده از طیف سنج

اندازه‌گیری رنگ به ما این امکان را می‌دهد که رنگ ها را همانطور که توسط انسان مشاهده می‌شود اندازه‌گیری کنیم. چشم انسان قادر است تنها تا حدود  10 میلیون رنگ مختلف را از هم تشخیص دهد و از حساسیت کمی برای تشخیص انواع رنگ برخوردار است. طیف سنج ها قادرند طول موج واقعی که هر رنگ جذب و بازتاب می‌کند اندازه‌گیری کنند. نور مرئی طیفی بین ۳۹۰ تا ۷۵۰ نانومتر دارد. بنابراین طیف سنجی قادر است رنگ را شناسایی کند که طیف را در این بازه و با وضوح طیفی حدود ۵ نانومتر اندازه بگیرند. برای اندازه‌گیری رنگ با طیف سنج UV-Vis، ابتدا بازتاب طیفی جسم اندازه‌گیری می‌شود. محاسبات براساس توزیع طیفی نور بازتابی از جسم و تطبیق ان با رنگ، رنگ را به عنوان یک عدد بیان می‌کند که به این عمل نرم‌افزار colormatching گفته می‌شود.

طیف گیری رنگ های مورد استفاده در نقاشی با اسپکترومتر

رنگ‌های مورد استفاده در نقاشی‌ها طیف بسیار گسترده‌ای دارند. چند مثال از طیف آبی و قرمز و زرد که رنگ‌های بسیار نزدیکی هستند به این صورت است: آبی مصری، لاجوردی، نیلی، اولترامارین، آبی پروس، آزوریت، شیشه کبالت، قرمز کادمیوم، دریاچه قرمز، مینیوم، زرد کادمیوم، زرد هندی و … . از آنجایی که نمونه‌برداری از آثار هنری امکان‌پذیر نیست، استفاده از رنگ سنج و اسپکترومتر تنها ابزار تشخیصی برای رسیدن به اطلاعات مورد نظر در مورد نقاشی‌ها است. به طور کلی ناهمگونی سطحی و پیچیدگی ترکیب رنگ نقاشی‌ها تحلیل رنگ‌ها را با مشکلاتی همراه می‌کند. این پیچیدگی می‌تواند حاصل از تکنیک اجرایی هنرمند، نسبت‌ها مختلف رنگدانه‌های مختلف، اندازه دانه رنگدانه‌ها، میزان پوسیدگی بافت بوم نقاشی، تغییر برخی رنگدانه‌ها در طول زمان و … باشد. از این رو داشتن نرم‌افزاری حاوی کتابخانه طیفی رنگ‌ها برای مقایسه با مراجع قابل اعتماد، بسیار کمک‌کننده است.

غلظت سنجی رنگ های مورد استفاده برای نقاشی با طیف سنجی مرئی فرابنفش

رنگ سنجی یک روش علمی است برای تعیین غلظت ترکیبات رنگی در محلول‌ها با استفاده از قانون Beer-Lambert. این قانون بیان می‌کند که غلظت یک ماده متناسب با میزان جذب آن است. برای این کار به یک اسپکتروفتومتر یا رنگ سنج نیاز است که در واقع شامل منبع نور، محل نگهداری نمونه (معمولاً لوله آزمایش یا کووت) و CCD برای جمع کردن نور است. اساس کار اسپکتروفتومتر، طیف سنجی مرئی-فرابنفش است و به این صورت کار می‌کند که ابتدا طیف یک محلول خالی گرفته می‌شود تا کالیبراسیون انجام شود و سپس طیف ماده اصلی گرفته شده تا با مرجع مقایسه شود. در صورت افزایش غلظت به صورت مداوم و منظم، نرم‌افزار قادر به رسم نمودار غلظت نیز هست. غلظت سنجی به طور گسترده در تحقیقات، کارهای هنری و کارهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دسته بندی و شماره گذاری طیف رنگ های مورد استفاده در نقاشی با اسپکترومتر

نقاشان امروزی رنگ‌های بیشتری نسبت به سایر هنرمندان تاریخ در اختیار دارند. فارغ از اینکه نقاش از چه رنگی استفاده می‌کند، طیف سنج ها قادرند آن را با توجه به ساختار شیمیایی شناسایی و دسته‌بندی نمایند. مزیت استفاده از طیف سنج ها برای این کار، تکرارپذیر بودن و اطمینان از نتیجه آزمایش است. ساختار شیمیایی رنگ‌ها ممکن است حاوی اکسیدها، سولفیدها، سولفات‌ها، کربنات‌ها، اکسی هیدروکسیدهای فلزات و … باشند. Pigments Checker مجموعه‌ای از رنگدانه‌های مهم مورد استفاده در آثار هنری و ابزاری استاندارد برای متخصصان هنری، دانشمندان و دانشجویان این حوزه است. این ابزار در صورتی قابل اعتماد است که رنگ‌های خودش به شکلی بسیار دقیق بررسی و تأیید شده باشند. اسپکتروفتومتری روش منتخب بسیاری از کارخانه‌های تولید رنگ و Pigment Checker است چرا که توانایی کمّی‌سازی و دسته‌بندی رنگ‌ها را دارد.

بررسی ماندگاری رنگ ها در گذر زمان با طیف سنجی

هنرمندان به کیفیت و ثبات رنگ در اثرات هنری خود توجه زیادی نشان می‌دهند تا اطمینان حاصل کنند که اثرشان در طول زمان بدون تغییر باقی می‌ماند. امروزه تجزیه و تحلیل پیگمنت به یک موضوع در صنعت تبدیل شده و پیشرفت فناوری امکان آزمایش دقیق و کنترل کیفیت را برای رنگ های تولیدی و لوازم هنری فراهم کرده است. درجه‌بندی رنگ‌های تولیدی از نظر کیفیت و ماندگاری براساس سیستم استانداردسازی ASTM انجام می‌شود. این استانداردها خواص شیمیایی و فیزیکی رنگ را مورد ارزیابی قرار می‌دهند و شامل کیفیت نمای بیرونی روی مواد مختلف، تست مقاومت در برابر آب و رطوبت، تست تأثیر روی سلامت انسان، سبکی رنگ، مقاومت رنگ‌آمیزی و … می‌شوند. اسپکتروفتومترها با از بین بردن خطای بصری انسان و تعیین کمیت عناصر خاص مواد نمونه، توانایی نظارت بر ویژگی‌های مختلف رنگ‌های مورد استفاده در نقاشی‌ها را دارند. عموماً رنگ‌های با کیفیت پایین برای کارهای دانشجویی استفاده می‌شوند و غلظت کمتری از رنگدانه را دارند. این محصولات قدرت و دوام کمتری داشته و در طول زمان تضعیف می‌شوند. رنگ‌های باکیفیت از غلظت بالایی برخوردار هستند و مورد استفاده حرفه‌ای‌های این حوزه قرار می‌گیرند.

شکل ۵- رنگ‌ها با گذر زمان تغییر ماهیت می‌دهند و طیف جذبشان متفاوت می‌شود.