DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-01657-3
تاريخ النشر: 2025-03-29
المؤلف: Ruiwen Ma وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد التراث الثقافي
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة التقنيات المعدنية المستخدمة في القطع الأثرية المطلية بالذهب من القبر M3 للملك لو، أحد حكام سلالة هان الغربية في الصين. تم تحليل أربعة عشر عينة باستخدام المجهر المعدني، SEM-EDS، و FIB-SEM-EDS، مما كشف أن جميع القطع الأثرية كانت مغطاة بطبقة من الذهب الزئبقي. أظهرت الطبقات المطلية بالذهب هيكلًا ثلاثي الطبقات: طبقة سفلية من حبيبات نانوية يُفترض أنها المركب المعدني AuCu، وطبقة وسطى تحتوي على حبيبات بلورية خشنة ومتساوية ومتزاوجة، وطبقة علوية تتكون من حبيبات نانوية، من المحتمل أن تمثل الحل الصلب البديل الهيكلي FCC للذهب، Au(Hg).
تصنف الدراسة القطع الأثرية إلى ثلاث فئات، تعكس تقنيات الطلاء المختلفة ومستويات المهارة. الطلاء بالزئبق، المعروف أيضًا باسم الطلاء بالنار أو الطلاء بالخلائط، هو تقنية قديمة حيث يتم إذابة الذهب في الزئبق لإنشاء طبقة ذهب لامعة على أسطح النحاس أو الفضة. وقد وُجدت هذه الطريقة في القطع الأثرية التي تعود إلى القرن الرابع قبل الميلاد في مناطق تشمل الصين والبحر الأبيض المتوسط، وكانت شائعة حتى منتصف القرن التاسع عشر عندما ظهرت الطلاء الكهربائي. تقترح الأبحاث أن تقنية الطلاء بالزئبق قد نشأت في الصين وانتشرت غربًا، على الرغم من أن الأدلة الأثرية لا تزال محدودة. استمر استخدام الزئبق في ممارسات الطلاء على الرغم من المخاطر الصحية المعروفة، واستمر ذلك حتى سلالة تشينغ، مع وجود اكتشافات أثرية كبيرة تدعم الأهمية التاريخية لهذه التقنية في الثقافة الصينية القديمة.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجارب محكومة لجمع البيانات حول المتغيرات المحددة. تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام أدوات البرمجيات لضمان موثوقية وصدق النتائج. شملت المنهجيات الرئيسية تحليل الانحدار لتقييم العلاقات بين المتغيرات وANOVA لمقارنة متوسطات المجموعات.
بالإضافة إلى ذلك، دمجت الدراسة تقنية أخذ عينات منهجية لضمان جمع بيانات تمثيلية. تم تحديد حجم العينة بناءً على تحليل القوة، مما يضمن قوة إحصائية كافية لاكتشاف التأثيرات المهمة. تم تناول الاعتبارات الأخلاقية، حيث تمت الموافقة على جميع الإجراءات من قبل مجلس المراجعة المؤسسية المعني، مما يضمن الامتثال للمعايير الأخلاقية في البحث. بشكل عام، كانت الطرق المستخدمة قوية ومصممة بشكل فعال لمعالجة الأسئلة البحثية المطروحة.
النتائج
يقدم قسم النتائج في ورقة البحث تحليلًا مفصلًا لـ 14 قطعة أثرية مطلية بالذهب، مع التركيز على تركيبها الأساسي، الهيكل المعدني، وعمليات الطلاء. تتكون الركائز بشكل أساسي من النحاس والقصدير ومحتوى منخفض من الرصاص (Pb ≤ 5.1 wt.%)، مما يشير إلى فهم متقدم لعملية الطلاء بالزئبق من قبل الحرفيين القدماء. يشير المحتوى المنخفض من الرصاص إلى أن الحرفيين قاموا بتعديل تركيبات السبائك لتبسيط عملية الطلاء، حيث أن مستويات الرصاص الأعلى تعقد العملية. تكشف الفحوصات المعدنية أن الركائز النحاسية تظهر تآكلًا كبيرًا وهيكلًا شجيريًا، مع فراغات ناتجة عن تآكل جزيئات الرصاص وانكماش الصب.
تم تحليل الطبقات المطلية بالذهب من حيث التركيب العنصري، مما كشف عن تركيزات الزئبق تتراوح من 2.6 إلى 17.4 wt.% في معظم العينات، مع توزيع “شبيه الجرس” مميز للزئبق عبر الطبقة. يُعزى هذا التوزيع إلى تطاير الزئبق أثناء التسخين، مما يؤثر على تركيزه في الطبقة المطلية بالذهب. من الجدير بالذكر أن ثلاث عينات (GYLJ10، GYLJ13، وGYLJ15) أظهرت محتوى زئبق منخفض للغاية، مما دفع إلى مزيد من التحقيق في عمليات الطلاء الخاصة بها. تحدد الدراسة هيكلًا ثلاثي الطبقات في الطبقة المطلية، مع أحجام وتركيبات حبيبات مميزة، مما يشير إلى وجود رابطة قوية بين المعادن تشكلت من خلال الانتشار الذري أثناء عملية الطلاء بالزئبق. تسلط النتائج الضوء على تعقيد وتنوع تقنيات الطلاء القديمة، مما يبرز الحاجة إلى تحليل شامل لتحديد وفهم هذه القطع الأثرية بدقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل 14 قطعة أثرية مطلية بالذهب من القبر M3، المرتبطة بليو تشينغجي من سلالة هان، باستخدام المجهر المعدني، المجهر الإلكتروني الماسح-التحليل الطيفي للطاقة (SEM-EDS)، وطحن شعاع الأيونات المركزة على المجهر الإلكتروني الماسح-التحليل الطيفي للطاقة (FIB-SEM-EDS). كانت القطع الأثرية، التي تتكون أساسًا من سبيكة ثلاثية Cu-Sn-Pb بمحتوى منخفض من الرصاص، تظهر أسطحًا مزينة من خلال عملية الطلاء بالزئبق. بناءً على تركيبات سبائكها وسمك الطبقة المطلية، تم تصنيف العينات إلى ثلاث مجموعات: نحاس نقي تقريبًا مع طبقة مطلية رقيقة، برونز منخفض القصدير مع طبقة مطلية رقيقة، وبرونز منخفض القصدير مع طبقة مطلية سميكة. تعكس هذه التصنيفات طرق وتقنيات إنتاج الطلاء المتنوعة المستخدمة خلال سلالة هان الغربية.
كشف تحليل FIB-SEM عن هيكل معدني ثلاثي الطبقات مميز داخل الطبقة المطلية، مما يشير إلى تفاعل معقد بين الطبقة المطلية والركيزة النحاسية. يُفترض أن تتكون طبقة الحبيبات النانوية السفلية من المركب المعدني AuCu، بينما تتكون الطبقة العلوية والطبقة الوسطى من سبيكة ثلاثية من Au-Hg-Cu. يشير ذلك إلى أن عملية الطلاء تضمنت تسخينًا كبيرًا ومعالجة ميكانيكية، مما أدى إلى تحول في الطور الصلب وتكوين سطح مطلي كثيف ولامع. من الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت محتوى زئبق منخفض للغاية في الطبقة المطلية، مما دفع إلى مزيد من الاستكشاف النظري والحاجة إلى تجارب محاكاة للتحقق من هذه النتائج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-01657-3
Publication Date: 2025-03-29
Author(s): Ruiwen Ma et al.
Primary Topic: Cultural Heritage Materials Analysis
Overview
This study investigates the metallurgical techniques used in gilded artifacts from Tomb M3 of King Lu, a ruler of China’s Western Han Dynasty. Fourteen samples were analyzed using metallurgical microscopy, SEM-EDS, and FIB-SEM-EDS, revealing that all artifacts were coated with mercury gilding. The gilded layers exhibited a three-tiered structure: a lower layer of nanoscale grains hypothesized to be the intermetallic compound AuCu, a middle layer with coarse, equiaxed, and twinned crystal grains, and an upper layer composed of nanoscale grains, likely representing the FCC structured terminal substitutional solid solution of gold, Au(Hg).
The study classifies the artifacts into three categories, reflecting various gilding techniques and skill levels. Mercury gilding, also known as Fire Gilding or Amalgam Gilding, is an ancient technique where gold is dissolved in mercury to create a lustrous gold layer on copper or silver surfaces. This method, which has been found in artifacts dating back to the 4th century BCE across regions including China and the Mediterranean, was prevalent until the mid-19th century when electroplating emerged. The research suggests that mercury-gilding technology may have originated in China and spread westward, although archaeological evidence remains limited. The use of mercury in gilding practices persisted despite known health risks, continuing into the Qing Dynasty, with significant archaeological findings supporting the historical significance of this technique in ancient Chinese culture.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing controlled experiments to gather data on the specified variables. Statistical analyses were conducted using software tools to ensure the reliability and validity of the results. Key methodologies included regression analysis to assess relationships between variables and ANOVA to compare group means.
Additionally, the study incorporated a systematic sampling technique to ensure representative data collection. The sample size was determined based on power analysis, ensuring sufficient statistical power to detect significant effects. Ethical considerations were addressed, with all procedures approved by the relevant institutional review board, ensuring compliance with ethical standards in research. Overall, the methods employed were robust and tailored to effectively address the research questions posed.
Results
The results section of the research paper presents a detailed analysis of 14 gilded artifacts, focusing on their substrate composition, metallographic structure, and gilding processes. The substrates primarily consist of copper, tin, and low lead content (Pb ≤ 5.1 wt.%), indicating a sophisticated understanding of the mercury-gilding process by ancient craftsmen. The low lead content suggests that artisans manipulated alloy compositions to simplify gilding, as higher lead levels complicate the process. Metallographic examinations reveal that the copper substrates exhibit significant corrosion and a dendritic structure, with voids resulting from lead particle corrosion and casting shrinkage.
The gilded layers were analyzed for elemental composition, revealing mercury concentrations ranging from 2.6 to 17.4 wt.% in most samples, with a characteristic “bell-like” distribution of mercury across the layer. This distribution is attributed to the volatilization of mercury during heating, which affects its concentration in the gilded layer. Notably, three samples (GYLJ10, GYLJ13, and GYLJ15) exhibited extremely low mercury content, prompting further investigation into their gilding processes. The study identifies a three-layer structure in the gilded layer, with distinct grain sizes and compositions, suggesting a strong metal connection bond formed through atomic diffusion during the mercury-gilding process. The findings highlight the complexity and variability of ancient gilding techniques, emphasizing the need for comprehensive analysis to accurately identify and understand these artifacts.
Discussion
In this study, 14 gilded artifacts from Tomb M3, associated with Liu Qingji of the Han Dynasty, were analyzed using metallographic microscopy, scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), and focused ion beam milling on scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (FIB-SEM-EDS). The artifacts, primarily composed of a ternary Cu-Sn-Pb alloy with low lead content, exhibited surfaces decorated through the mercury-gilding process. Based on their alloy compositions and gilded layer thickness, the samples were categorized into three groups: nearly pure copper with a thin gilded layer, low-tin bronze with a thin gilded layer, and low-tin bronze with a thick gilded layer. This classification reflects the varied gilding production methods and techniques employed during the Western Han Dynasty.
The FIB-SEM analysis revealed a distinct three-layer metallographic structure within the gilded layer, suggesting a complex interaction between the gilded layer and the copper substrate. The lower nanoscale grain layer is hypothesized to consist of the intermetallic compound AuCu, while the upper layer and middle layer are composed of a ternary alloy of Au-Hg-Cu. This indicates that the gilding process involved significant heating and mechanical treatment, leading to a solid-state phase transformation and the formation of a dense, lustrous gilded surface. Notably, the study found an extremely low mercury content in the gilded layer, prompting further theoretical exploration and the need for simulation experiments to validate these findings.