Нейтроны на службе у искусства
ТЕХНОЛОГИИ / ИЮЛЬ #4_2023
Текст: Марина ПОЛЯКОВА / Фото: ТАСС, Google.com
Ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) занимаются не совсем привычным для физиков делом — они изучают древние фрески, украшения и статуи, чтобы помочь реставраторам в воссоздании изначального облика этих объектов культурного наследия. Сейчас исследователи из Дубны вместе с искусствоведами участвуют в реставрации настенной живописи Успенского собора в Кремле.
Итальянская глина под Крымским мостом
Исследователи из группы нейтронного активационного анализа Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ изучают состав различных образцов на ускорительной установке ИРЕН, а также реакторах: ИБР 2 (ОИЯИ) и ВВР-К (Институт ядерной физики Казахстана). Большинство проектов ученые группы ведут совместно с искусствоведами, историками, археологами и сотрудниками реставрационных организаций.
«В первую очередь, мы применяем нейтронный активационный анализ. Это метод, который позволяет определить массовые доли нескольких десятков элементов с чувствительностью до одного миллиграмма на килограмм, то есть среди миллиона атомов образца мы можем обнаружить атом отдельного элемента. Кроме того, мы применяем активационный анализ на мгновенных гамма-квантах», — пояснил начальник Группы нейтронного активационного анализа ОИЯИ Андрей Дмитриев.
В отличие от нейтронного активационного анализа, для которого требуется небольшое невозвратное количество (около 0,1 г) образца, активационный анализ на мгновенных гамма-квантах — полностью неразрушающий и позволяет вернуть образец хозяину в целости и сохранности. Еще одно важное преимущество метода — возможность исследовать элементы, которые невозможно подвергнуть нейтронному активационному анализу, например свинец, часто встречающийся в произведениях искусства.
Ученых, занимающихся подобного рода исследованиями, крайне мало, ведь для них необходимы мощные источники нейтронов — ускоритель или ядерный реактор.
«Одной из первых наших работ было исследование элементного состава стеклянных браслетов, найденных на территории Дубны. Перед нами поставили задачу определить, в каких стеклодельных центрах были произведены эти украшения.
Мы установили их элементный состав, определили рецептурные нормы, сравнили их с литературными данными и выяснили, что к нам в руки попали браслеты провинциальных и столичных стеклоделов Древней Руси. То есть их произвели не в Византии, не в Западной Европе, а в древнерусских стеклодельных центрах. Подобные данные очень ценны для историков, так как позволяют установить культурные связи, характерные для тех времен", — рассказал А. Дмитриев.
Другое крупное направление деятельности Группы нейтронного активационного анализа — исследование керамических изделий. Так, ученые ОИЯИ совместно с коллегами из Курчатовского института и ИА РАН изучали античную терракотовую статую, найденную в 2017 году у мыса Ак-Бурун в Керченском проливе при строительстве опоры Крымского моста. Часть скульптуры — мужская голова из обожженной глины в натуральную величину; это редкость — подобные античные фигуры чаще всего не превышают 40 см в высоту. Предположительно, это изображение бога или героя.
Изначально предполагалось, что сырье для изготовления статуи было добыто на территории Древней Греции. Методом компьютерной томографии была определена насыщенность керамического теста терракоты включениями пироксенов вулканического происхождения. Позже методом порошковой рентгеновской дифракции их виды определялись в сравнении минерального состава терракоты с составами эталонных образцов, предоставленных Институтом археологии РАН. Уникальным в составе керамического теста скульптуры оказался якобсит — железо-марганцевое соединение, образующееся при обжиге глин. Выходы подобных глин располагались в зонах с повышенным содержанием марганца. Один из образцов анализируемых глин, наиболее близкий по геохимическим характеристикам, был отобран вблизи итальянского марганцевого месторождения Маццано-Романо. Следующим этапом изучения терракоты стали нейтронный активационный анализ и применение математической статистики; ученые выяснили, что глину привезли из центра Апеннинского полуострова, с территории современной Италии.
Исследователи из группы нейтронного активационного анализа Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ изучают состав различных образцов на ускорительной установке ИРЕН, а также реакторах: ИБР 2 (ОИЯИ) и ВВР-К (Институт ядерной физики Казахстана). Большинство проектов ученые группы ведут совместно с искусствоведами, историками, археологами и сотрудниками реставрационных организаций.
«В первую очередь, мы применяем нейтронный активационный анализ. Это метод, который позволяет определить массовые доли нескольких десятков элементов с чувствительностью до одного миллиграмма на килограмм, то есть среди миллиона атомов образца мы можем обнаружить атом отдельного элемента. Кроме того, мы применяем активационный анализ на мгновенных гамма-квантах», — пояснил начальник Группы нейтронного активационного анализа ОИЯИ Андрей Дмитриев.
В отличие от нейтронного активационного анализа, для которого требуется небольшое невозвратное количество (около 0,1 г) образца, активационный анализ на мгновенных гамма-квантах — полностью неразрушающий и позволяет вернуть образец хозяину в целости и сохранности. Еще одно важное преимущество метода — возможность исследовать элементы, которые невозможно подвергнуть нейтронному активационному анализу, например свинец, часто встречающийся в произведениях искусства.
Ученых, занимающихся подобного рода исследованиями, крайне мало, ведь для них необходимы мощные источники нейтронов — ускоритель или ядерный реактор.
«Одной из первых наших работ было исследование элементного состава стеклянных браслетов, найденных на территории Дубны. Перед нами поставили задачу определить, в каких стеклодельных центрах были произведены эти украшения.
Мы установили их элементный состав, определили рецептурные нормы, сравнили их с литературными данными и выяснили, что к нам в руки попали браслеты провинциальных и столичных стеклоделов Древней Руси. То есть их произвели не в Византии, не в Западной Европе, а в древнерусских стеклодельных центрах. Подобные данные очень ценны для историков, так как позволяют установить культурные связи, характерные для тех времен", — рассказал А. Дмитриев.
Другое крупное направление деятельности Группы нейтронного активационного анализа — исследование керамических изделий. Так, ученые ОИЯИ совместно с коллегами из Курчатовского института и ИА РАН изучали античную терракотовую статую, найденную в 2017 году у мыса Ак-Бурун в Керченском проливе при строительстве опоры Крымского моста. Часть скульптуры — мужская голова из обожженной глины в натуральную величину; это редкость — подобные античные фигуры чаще всего не превышают 40 см в высоту. Предположительно, это изображение бога или героя.
Изначально предполагалось, что сырье для изготовления статуи было добыто на территории Древней Греции. Методом компьютерной томографии была определена насыщенность керамического теста терракоты включениями пироксенов вулканического происхождения. Позже методом порошковой рентгеновской дифракции их виды определялись в сравнении минерального состава терракоты с составами эталонных образцов, предоставленных Институтом археологии РАН. Уникальным в составе керамического теста скульптуры оказался якобсит — железо-марганцевое соединение, образующееся при обжиге глин. Выходы подобных глин располагались в зонах с повышенным содержанием марганца. Один из образцов анализируемых глин, наиболее близкий по геохимическим характеристикам, был отобран вблизи итальянского марганцевого месторождения Маццано-Романо. Следующим этапом изучения терракоты стали нейтронный активационный анализ и применение математической статистики; ученые выяснили, что глину привезли из центра Апеннинского полуострова, с территории современной Италии.
Увидеть насквозь
Физики из Дубны исследуют также настенную живопись. Они уже приняли участие в подготовке двух проектов реставрации: построенного в XII веке Спасо-Преображенского собора Мирожского монастыря и собора Рождества Богородицы Снетогорского монастыря, возведенного чуть позже — в XIV веке.
Исследователей в первую очередь интересуют материалы для создания фресок: пигменты, связующие, на которых замешивались краски, штукатурные основания; а также строительные растворы, скреплявшие каменную кладку.
Начинаются работы с изучения элементного состава методом неразрушающего рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Портативный прибор позволяет, не повреждая живопись, проводить исследования непосредственно на стенах памятника и определять, какая именно краска была здесь использована. К примеру, красный цвет могут давать как охра (из смеси глины и оксида железа), так и киноварь (из сернистой ртути). Спектрометр обладает достаточной глубиной проникновения — ученые видят все красочные слои до штукатурки. Но в результате можно узнать только общий состав. Для того чтобы точно — послойно — установить пигменты, исследователи берут образец и анализируют его в лаборатории.
«Мы довольно быстро поняли, что одного элементного состава недостаточно, поскольку одни и те же элементы могут складываться в различные соединения и давать различную окраску. Например, если мы обнаруживаем железо, это могут быть как желтые, так и красные охры. Поэтому нужно применять дополнительные методы: электронную микроскопию, инфракрасную и рамановскую спектроскопию. Важно понять, чем пользовались древние мастера, чтобы реставраторы могли правильно подобрать материалы, которые они будут использовать. Поэтому любой реставрационный проект, утвержденный министерством культуры, должен содержать раздел физико-химических исследований», — пояснила Ольга Филиппова, старший научный сотрудник Группы нейтронного активационного анализа ОИЯИ.
С помощью метода стратиграфии можно определить количество и состав слоев, присутствующих в образце; различать пигменты по их оптическим свойствам позволяет поляризационная микроскопия, а установить тип связующего (того, на чем замешана краска: яичный белок, животный жир или что-то еще) можно при помощи инфракрасной спектроскопии. Также в лаборатории проводят микрохимический анализ.
Физики из Дубны исследуют также настенную живопись. Они уже приняли участие в подготовке двух проектов реставрации: построенного в XII веке Спасо-Преображенского собора Мирожского монастыря и собора Рождества Богородицы Снетогорского монастыря, возведенного чуть позже — в XIV веке.
Исследователей в первую очередь интересуют материалы для создания фресок: пигменты, связующие, на которых замешивались краски, штукатурные основания; а также строительные растворы, скреплявшие каменную кладку.
Начинаются работы с изучения элементного состава методом неразрушающего рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Портативный прибор позволяет, не повреждая живопись, проводить исследования непосредственно на стенах памятника и определять, какая именно краска была здесь использована. К примеру, красный цвет могут давать как охра (из смеси глины и оксида железа), так и киноварь (из сернистой ртути). Спектрометр обладает достаточной глубиной проникновения — ученые видят все красочные слои до штукатурки. Но в результате можно узнать только общий состав. Для того чтобы точно — послойно — установить пигменты, исследователи берут образец и анализируют его в лаборатории.
«Мы довольно быстро поняли, что одного элементного состава недостаточно, поскольку одни и те же элементы могут складываться в различные соединения и давать различную окраску. Например, если мы обнаруживаем железо, это могут быть как желтые, так и красные охры. Поэтому нужно применять дополнительные методы: электронную микроскопию, инфракрасную и рамановскую спектроскопию. Важно понять, чем пользовались древние мастера, чтобы реставраторы могли правильно подобрать материалы, которые они будут использовать. Поэтому любой реставрационный проект, утвержденный министерством культуры, должен содержать раздел физико-химических исследований», — пояснила Ольга Филиппова, старший научный сотрудник Группы нейтронного активационного анализа ОИЯИ.
С помощью метода стратиграфии можно определить количество и состав слоев, присутствующих в образце; различать пигменты по их оптическим свойствам позволяет поляризационная микроскопия, а установить тип связующего (того, на чем замешана краска: яичный белок, животный жир или что-то еще) можно при помощи инфракрасной спектроскопии. Также в лаборатории проводят микрохимический анализ.
Фреска в Смоленском соборе Новодевичьего монастыря. Архитектурный ансамбль монастыря — объект культурного наследия федерального значения и включен в Список всемирного культурного и природного наследия ЮНЕСКО
Свинец в Смоленском соборе
На рубеже XIX—XX вв.еков считалось, что древняя живопись изначально создавалась в темных тонах; в соответствии с этой концепцией работали и реставраторы того времени, делали изображения мрачными и темными. Однако сейчас известно, что живопись XVII века и вообще вся древняя живопись была яркой и солнечной. Оказалось, что под воздействием окружающей среды: температуры, влажности, микроорганизмов — цвета фресок менялись.
«В барабане Смоленского собора Новодевичьего монастыря в Москве изображены архангелы в желтых, зеленых и красных одеждах. У большинства складки прорисованы белым цветом, а на красных одеждах складки черные. Когда мы исследовали элементный состав, выяснили, что в этих черных полосах очень много свинца. Следовательно, использовали свинцовые белила или карбонат свинца — неустойчивое к внешним воздействиям соединение. Оно со временем переходит в почти черный оксид свинца. Белые складки на одеждах других цветов были нарисованы известковыми белилами, более устойчивыми к факторам среды», — рассказывает О. Филиппова.
Аналогичный процесс со свинцом произошел и на фреске XII века в Георгиевском соборе Юрьева монастыря в Великом Новгороде. На ней изображен Георгий Победоносец в плаще черно-коричневого цвета. Этот цвет нетипичен для иконописи — обычно святого Георгия изображают в плаще ярко-красного цвета. Сотрудники ОИЯИ исследовали элементный состав фрески и снова обнаружили большое количество свинца — он входил в состав белил, которыми древние мастера часто разбавляли краску, чтобы сделать ее светлее и ярче. Ученые считают, что Георгий Победоносец изначально был изображен в ярко-красном плаще, но свинец в составе белил со временем переродился и потемнел.
На рубеже XIX—XX вв.еков считалось, что древняя живопись изначально создавалась в темных тонах; в соответствии с этой концепцией работали и реставраторы того времени, делали изображения мрачными и темными. Однако сейчас известно, что живопись XVII века и вообще вся древняя живопись была яркой и солнечной. Оказалось, что под воздействием окружающей среды: температуры, влажности, микроорганизмов — цвета фресок менялись.
«В барабане Смоленского собора Новодевичьего монастыря в Москве изображены архангелы в желтых, зеленых и красных одеждах. У большинства складки прорисованы белым цветом, а на красных одеждах складки черные. Когда мы исследовали элементный состав, выяснили, что в этих черных полосах очень много свинца. Следовательно, использовали свинцовые белила или карбонат свинца — неустойчивое к внешним воздействиям соединение. Оно со временем переходит в почти черный оксид свинца. Белые складки на одеждах других цветов были нарисованы известковыми белилами, более устойчивыми к факторам среды», — рассказывает О. Филиппова.
Аналогичный процесс со свинцом произошел и на фреске XII века в Георгиевском соборе Юрьева монастыря в Великом Новгороде. На ней изображен Георгий Победоносец в плаще черно-коричневого цвета. Этот цвет нетипичен для иконописи — обычно святого Георгия изображают в плаще ярко-красного цвета. Сотрудники ОИЯИ исследовали элементный состав фрески и снова обнаружили большое количество свинца — он входил в состав белил, которыми древние мастера часто разбавляли краску, чтобы сделать ее светлее и ярче. Ученые считают, что Георгий Победоносец изначально был изображен в ярко-красном плаще, но свинец в составе белил со временем переродился и потемнел.
Лазурь из Бадахшана
С Георгиевским собором связана еще одна удивительная находка. В XIX веке в нем решили заменить фрески, старые росписи сбили со стен и использовали в качестве подсыпки под новый пол. Несколько лет назад археологи из Института археологии РАН вскрыли пол и обнаружили десятки тысяч фрагментов фресок разного размера. По оценкам ученых, они были созданы в XII веке, что делает их одним из самых ранних ансамблей монументальной стенописи — Георгиевский собор был расписан одним из первых на Руси.
Удивительным открытием стало то, что многие фрагменты фресок были окрашены в яркий насыщенный синий цвет. Проведя исследования этих образцов, ученые установили, что в качестве синего пигмента использовали лазурит — редкий и дорогой минерал, который в те времена добывали только на одном месторождении — в Бадахшане, на территории современного Афганистана.
«Лазурит ценился в буквальном смысле на вес золота: его было сложно добывать и очищать, чтобы получить насыщенный цвет. Так же сложно и дорого было везти его до Древней Руси. При этом количество обнаруженных в Георгиевском соборе синих фрагментов просто поражает: их многие тысячи, целые поддоны. Обнаружение такого количества лазурита говорит о том, что заказчики строительства были очень влиятельны и богаты. Денег на роспись они не пожалели. Для сравнения, в Италии, в одной из церквей на юге страны, лазурит использовали только в знаковых местах фрески, а для фона применяли белила с углем или менее насыщенный и более доступный азурит — карбонат меди. В Георгиевском соборе лазурит использовался даже в фоновых росписях», — поделилась О. Филиппова.
Сейчас сотрудники Группы нейтронного активационного анализа исследуют стенопись в Успенском соборе Московского Кремля. Одна из задач физиков и реставраторов — определить состав смесей, образующих красочную поверхность, и их соотношение с закупленными в XVII веке материалами, верифицировать закупочные документы.
С Георгиевским собором связана еще одна удивительная находка. В XIX веке в нем решили заменить фрески, старые росписи сбили со стен и использовали в качестве подсыпки под новый пол. Несколько лет назад археологи из Института археологии РАН вскрыли пол и обнаружили десятки тысяч фрагментов фресок разного размера. По оценкам ученых, они были созданы в XII веке, что делает их одним из самых ранних ансамблей монументальной стенописи — Георгиевский собор был расписан одним из первых на Руси.
Удивительным открытием стало то, что многие фрагменты фресок были окрашены в яркий насыщенный синий цвет. Проведя исследования этих образцов, ученые установили, что в качестве синего пигмента использовали лазурит — редкий и дорогой минерал, который в те времена добывали только на одном месторождении — в Бадахшане, на территории современного Афганистана.
«Лазурит ценился в буквальном смысле на вес золота: его было сложно добывать и очищать, чтобы получить насыщенный цвет. Так же сложно и дорого было везти его до Древней Руси. При этом количество обнаруженных в Георгиевском соборе синих фрагментов просто поражает: их многие тысячи, целые поддоны. Обнаружение такого количества лазурита говорит о том, что заказчики строительства были очень влиятельны и богаты. Денег на роспись они не пожалели. Для сравнения, в Италии, в одной из церквей на юге страны, лазурит использовали только в знаковых местах фрески, а для фона применяли белила с углем или менее насыщенный и более доступный азурит — карбонат меди. В Георгиевском соборе лазурит использовался даже в фоновых росписях», — поделилась О. Филиппова.
Сейчас сотрудники Группы нейтронного активационного анализа исследуют стенопись в Успенском соборе Московского Кремля. Одна из задач физиков и реставраторов — определить состав смесей, образующих красочную поверхность, и их соотношение с закупленными в XVII веке материалами, верифицировать закупочные документы.
Сквозь Мону Лизу
Многие «ядерные» методы применяются для изучения предметов искусства.
В 2010 году с помощью РФА французские ученые проанализировали «Мону Лизу» Леонардо да Винчи. Исследователи изучили состав и толщину различных слоев краски и лессировки, что позволило им лучше понять применявшуюся да Винчи технику сфумато — именно она делает картину столь реалистичной.
Для анализа внутренней структуры и целостности объектов культурного наследия ученые используют промышленную радиографию. Рентгеновские, гамма-лучи или нейтроны пропускают через объект, чтобы увидеть его внутреннюю структуру. Попадая на пленку или специальную цифровую камеру, расположенную с другой стороны от полотна, излучение показывает то, что находится под слоями краски, в том числе внутренние дефекты и 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 ранних рисунка: пожилая женщина со склоненной головой и молодая мать с ребенком на коленях. Еще один пример — в Великобритании «просветили» картину Винсента ван Гога «Голова крестьянки» и в результате обнаружили… автопортрет художника.
Еще одна интересная история произошла в 2008 году в Германии, в Старом городе Майнца, со средневековым позолоченным кулоном, найденным в яме для отходов. На поверхности реликвии сохранились изображения Иисуса, девы Марии, четырех апостолов и женщин-святых. Археологи датировали изделие концом XII века. За сотни лет артефакт подвергся сильной коррозии, и замочный механизм был разрушен. На помощь пришли физические методы. Сначала исследователи попытались провести рентгенографию, но с ее помощью содержимое реликвии разглядеть не удалось. Тогда ученые из Археологического центра Лейбница (LEIZA) совместно с экспертами Мюнхенского технического университета применили неинвазивную неразрушающую нейтронную томографию. Выяснилось, что внутри кулона — пять маленьких свертков из шелка и льна с крошечными обломками человеческих костей. В Средние века подобные кулоны использовали для хранения религиозных реликвий. Поэтому ученые предположили, что кости могут быть мощами святого, хотя определить, кому именно они принадлежали, невозможно. Обычно к подобным кулонам, называемым филактериями (от греческого «сохранение» или «защита»), прилагалась пергаментная полоска с указанием имени святого. Однако в реликвии из Майнца записка не сохранилась.
В 2010 году с помощью РФА французские ученые проанализировали «Мону Лизу» Леонардо да Винчи. Исследователи изучили состав и толщину различных слоев краски и лессировки, что позволило им лучше понять применявшуюся да Винчи технику сфумато — именно она делает картину столь реалистичной.
Для анализа внутренней структуры и целостности объектов культурного наследия ученые используют промышленную радиографию. Рентгеновские, гамма-лучи или нейтроны пропускают через объект, чтобы увидеть его внутреннюю структуру. Попадая на пленку или специальную цифровую камеру, расположенную с другой стороны от полотна, излучение показывает то, что находится под слоями краски, в том числе внутренние дефекты и 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 ранних рисунка: пожилая женщина со склоненной головой и молодая мать с ребенком на коленях. Еще один пример — в Великобритании «просветили» картину Винсента ван Гога «Голова крестьянки» и в результате обнаружили… автопортрет художника.
Еще одна интересная история произошла в 2008 году в Германии, в Старом городе Майнца, со средневековым позолоченным кулоном, найденным в яме для отходов. На поверхности реликвии сохранились изображения Иисуса, девы Марии, четырех апостолов и женщин-святых. Археологи датировали изделие концом XII века. За сотни лет артефакт подвергся сильной коррозии, и замочный механизм был разрушен. На помощь пришли физические методы. Сначала исследователи попытались провести рентгенографию, но с ее помощью содержимое реликвии разглядеть не удалось. Тогда ученые из Археологического центра Лейбница (LEIZA) совместно с экспертами Мюнхенского технического университета применили неинвазивную неразрушающую нейтронную томографию. Выяснилось, что внутри кулона — пять маленьких свертков из шелка и льна с крошечными обломками человеческих костей. В Средние века подобные кулоны использовали для хранения религиозных реликвий. Поэтому ученые предположили, что кости могут быть мощами святого, хотя определить, кому именно они принадлежали, невозможно. Обычно к подобным кулонам, называемым филактериями (от греческого «сохранение» или «защита»), прилагалась пергаментная полоска с указанием имени святого. Однако в реликвии из Майнца записка не сохранилась.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ