DOI: https://doi.org/10.1186/s40494-023-01082-4
تاريخ النشر: 2024-02-07
المؤلف: Nicoletta Palladino وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد التراث الثقافي
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة أول مسح منهجي لمجموعة شاملة من مواد الفنانين من الزنك الأبيض (ZnO)، تشمل 49 عينة من مصادر تاريخية وحديثة. تصف الدراسة التركيب، شكل الجسيمات، الحجم، واللمعان لهذه العينات، بما في ذلك المراجع التي تم تصنيعها بواسطة المؤلفين. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الزنك الأبيض غير المباشر يظهر نقاءً أعلى وجسيمات زرقاء لامعة بشكل هرموني دون الميكرون، بينما يحتوي الزنك الأبيض المباشر على جسيمات خضراء لامعة أكبر. ومن الجدير بالذكر أن دخان الزنك الأبيض أنتج جزيئات نانوية زرقاء/خضراء تشبه الأرجل الأربعة. كشفت التحليلات عن اتجاهات مثل أحجام الجسيمات الأصغر في العينات الحديثة ووجود الهيدروزينكيت، وهو منتج تحلل، في بعض المساحيق، على الرغم من أنه لم يؤثر على استجابة اللمعان الكاثودي.
تؤكد الاستنتاجات على تباين خصائص الزنك الأبيض وممارسات الألوان، مما يوفر رؤى قيمة للمهنيين في مجال التراث. تحدد الدراسة المضافات الشائعة والنسب المستخدمة من قبل مختلف الشركات المصنعة، مما يبرز أهمية الهيدروزينكيت كمنتج تحلل محتمل. كما تؤكد الأبحاث على فائدة اللمعان الكاثودي كأداة مكملة لتحديد الأصباغ، كاشفة عن تعقيدات في سلوك اللمعان التي تستدعي مزيدًا من التحقيق. بشكل عام، تؤسس هذه الدراسة قاعدة بيانات قوية لفهم طرق التصنيع، الخصائص الجوهرية، وخصائص اللمعان للزنك الأبيض، مما يخدم كمرجع للتحليلات المستقبلية للأعمال الفنية من القرن التاسع عشر والعشرين وعمليات تحللها.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الأهمية التاريخية والمعاصرة للزنك الأبيض (أكسيد الزنك، ZnO) كصبغة، متتبعة تطورها من الاستخدامات القديمة في المراهم وتصنيع النحاس إلى اعتمادها كبديل أكثر أمانًا للزنك الأبيض في أواخر القرن الثامن عشر. تم الإشادة بها لطبيعتها غير السامة، ومقاومتها للاسوداد الناتج عن التعرض للكبريت، وثباتها، وقد وجدت الزنك الأبيض تطبيقات تتجاوز الفن، بما في ذلك في المطاط، والسيراميك، والإلكترونيات، ومستحضرات التجميل. على الرغم من استبدالها إلى حد كبير بالزنك الأبيض منذ منتصف القرن العشرين، إلا أن الزنك الأبيض لا يزال متاحًا تجاريًا وغالبًا ما يستخدم لضبط قوة تلوين الزنك الأبيض.
تحدد هذه القسم طرق تصنيع الزنك الأبيض، بشكل أساسي الطرق الفرنسية (غير المباشرة) والأمريكية (المباشرة)، موضحة تطورها التاريخي ومساهمات الشخصيات الرئيسية في تصنيع الصبغة. تسلط الضوء على مشكلات التحلل المرتبطة بالزنك الأبيض، مثل التفتت وتكوين الصابون المعدني، التي يمكن أن تؤثر سلبًا على الأعمال الفنية. تهدف الدراسة إلى إجراء مسح منهجي لمجموعة متنوعة من مواد الزنك الأبيض التاريخية والحديثة لربط طرق التصنيع بخصائص الصبغة، مما يؤدي في النهاية إلى إنشاء قاعدة بيانات مرجعية للمساعدة في الحفاظ على اللوحات والتحقق من صحتها. تعالج هذه الدراسة الفجوات في فهم العلاقات السببية لخصائص الزنك الأبيض وتحللها، بناءً على الأبحاث السابقة والمصادر الوثائقية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام ثلاثة مواد مرجعية للتحقيق في خصائص الزنك الأبيض: دخان الزنك الأبيض الذي تم تصنيعه بواسطة المؤلفين، والزنك الأبيض المنتج بواسطة بروغمان، ونماذج الطلاء التي تم إنشاؤها عن طريق طحن هذه المساحيق في زيت بذر الكتان. تم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات التحليلية، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح – التحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM-EDX)، والتحليل الطيفي لإصدار الأشعة السينية الناتجة عن الجسيمات (PIXE)، والتشتت بالأشعة السينية (XRD) لتقييم التركيب، شكل الجسيمات، توقيعات اللمعان، وخصائص الرابطة. تم تحليل المراحل غير العضوية للعينات باستخدام PIXE وXRD، والتي قامت بتحديد المراحل المعدنية وتحديد الهياكل البلورية، كاشفة أن معظم العينات تحتوي على أكثر من 98% وزناً من ZnO، مع استثناءات ملحوظة لبعض المساحيق التي تحتوي على الهيدروزينكيت.
أشارت النتائج إلى أنه بينما كانت الغالبية العظمى من العينات المحللة نقية بشكل أساسي من ZnO، إلا أن بعضها احتوى على كميات كبيرة من مركبات أخرى مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) وكربونات الكالسيوم (CaCO₃). ومن الجدير بالذكر أن الهيدروزينكيت وُجد في عينات محددة، مما يشير إلى تكوينه مع مرور الوقت نتيجة التعرض للهواء. بالإضافة إلى ذلك، تم الكشف عن عناصر أثرية بما في ذلك الحديد، والنيكل، والرصاص في عينات مختلفة، مع احتمال أن يكون الحديد ناتجًا عن التلوث. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية التلاعب في المواد التاريخية للزنك الأبيض، كما يتضح من العينات التي احتوت على مركبات مختلفة تمامًا عن ZnO، وهي مسألة تم الإشارة إليها في المواد الفنية من القرن التاسع عشر.
نتائج
تم تنظيم قسم النتائج في ثلاثة مجالات رئيسية: تركيب العينات، شكل وحجم جسيمات ZnO، وخصائص اللمعان الخاصة بها. تم تلخيص النتائج لكل عينة في الجدول 3، بينما يمكن العثور على نتائج أكثر تفصيلاً لكل تقنية تحليلية في الملف الإضافي 2: الجدول S2. يسمح هذا النهج المنظم بفهم شامل لخصائص وسلوكيات عينات ZnO التي تم تحليلها في الدراسة.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث تحليل 49 عينة من الزنك الأبيض، مصنفة إلى عينات تاريخية وحديثة بناءً على تواريخ إنتاجها. تم الحصول على العينات من مؤسسات مختلفة وشملت كل من المساحيق والدهانات. استخدمت التحليلات تقنيات متعددة، بما في ذلك المجهر الضوئي، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، وطرق اللمعان المختلفة، لتوصيف شكل العينات، حجمها، وخصائصها اللمعانية. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن العينات التاريخية عمومًا أظهرت أحجام بلورية أكبر وأشكال مميزة مقارنة بالعينات الحديثة، مع كون الأشكال الهرمية والخيطية هي السائدة.
كما كشفت النتائج أن سلوك اللمعان اختلف بين العينات، مع ملاحظات لانبعاثات زرقاء وخضراء تحت الضوء فوق البنفسجي، مما يدل على اختلافات في جودة البلورات ووجود العيوب. سلطت الأبحاث الضوء على أن طرق التصنيع المستخدمة من قبل الشركات المصنعة المختلفة أثرت على نقاء وخصائص أكسيد الزنك، حيث أظهرت بعض العينات عناصر أثرية كبيرة بسبب عمليات إنتاجها. تؤكد المناقشة على أهمية فهم هذه الممارسات لتفسير السياق التاريخي وخصائص المواد للزنك الأبيض المستخدم في الأعمال الفنية. بشكل عام، توفر الدراسة رؤى قيمة في علم المواد للزنك الأبيض، مما يساهم في مجالات الحفاظ على الفن وتحليل المواد.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40494-023-01082-4
Publication Date: 2024-02-07
Author(s): Nicoletta Palladino et al.
Primary Topic: Cultural Heritage Materials Analysis
Overview
This research presents the first systematic survey of a comprehensive collection of zinc white (ZnO) artists’ materials, encompassing 49 samples from both historical and modern sources. The study characterizes the composition, particle morphology, size, and luminescence of these samples, including references synthesized by the authors. Key findings indicate that indirect ZnO exhibits higher purity and submicron prismoidal blue-luminescent particles, while direct ZnO contains larger acicular green-luminescent particles. Notably, ZnO nanosmoke produced tetrapodlike blue/green-luminescent nanoparticles. The analysis revealed trends such as smaller particle sizes in recent samples and the presence of hydrozincite, a degradation product, in some powders, although it did not affect the cathodoluminescence response.
The conclusions emphasize the variability of zinc white properties and colormen practices, providing valuable insights for heritage professionals. The study identifies common additives and proportions used by various manufacturers, highlighting the significance of hydrozincite as a potential degradation product. The research also underscores the utility of cathodoluminescence as a complementary tool for pigment identification, revealing complexities in luminescence behavior that warrant further investigation. Overall, this study establishes a robust database for understanding the synthesis routes, intrinsic properties, and luminescence characteristics of zinc white, serving as a reference for future analyses of 19th-20th century artworks and their degradation processes.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the historical and contemporary significance of zinc white (zinc oxide, ZnO) as a pigment, tracing its development from ancient uses in ointments and brass manufacturing to its adoption as a safer alternative to lead white in the late 18th century. Praised for its non-toxic nature, resistance to darkening from sulfur exposure, and permanence, zinc white has found applications beyond art, including in rubber, ceramics, electronics, and cosmetics. Despite being largely supplanted by titanium white since the mid-20th century, zinc white remains commercially available and is often used to adjust the tinting strength of titanium white.
The section outlines the manufacturing methods of zinc white, primarily the French (indirect) and American (direct) methods, detailing their historical development and the contributions of key figures in the pigment’s synthesis. It highlights the degradation issues associated with zinc white, such as chalking and the formation of metal soaps, which can adversely affect artworks. The research aims to systematically survey a diverse collection of historical and modern zinc white materials to correlate synthesis methods with pigment properties, ultimately creating a reference database to aid in the conservation and authentication of paintings. This study addresses gaps in understanding the cause-and-effect relationships of zinc white’s properties and degradation, building on previous research and documentary sources.
Methods
In this study, three reference materials were utilized to investigate the properties of zinc white: ZnO nanosmoke synthesized by the authors, ZnO produced by Brüggemann, and paint mockups created by grinding these powders in linseed oil. A variety of analytical techniques were employed, including Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM-EDX), Particle-Induced X-ray Emission spectroscopy (PIXE), and X-Ray Diffraction (XRD) to assess composition, particle morphology, luminescence signatures, and binder characteristics. The inorganic phases of the samples were analyzed using PIXE and XRD, which quantified mineral phases and identified crystalline structures, revealing that most samples contained over 98 wt% ZnO, with exceptions noted for certain powders containing hydrozincite.
The findings indicated that while the majority of analyzed samples were predominantly pure ZnO, some contained significant amounts of other compounds such as titanium dioxide (TiO₂) and calcium carbonate (CaCO₃). Notably, hydrozincite was found in specific samples, suggesting its formation over time due to exposure to air. Additionally, trace elements including iron, nickel, and lead were detected in various samples, with iron likely attributed to contamination. The study highlights the potential for adulteration in historical zinc white materials, as evidenced by samples that contained entirely different compounds than ZnO, a concern noted in 19th-century artistic materials.
Results
The Results section is organized into three key areas: the composition of the samples, the morphology and size of ZnO particles, and their luminescence properties. The findings for each sample are summarized in Table 3, while more detailed results for each analytical technique can be found in Additional file 2: Table S2. This structured approach allows for a comprehensive understanding of the characteristics and behaviors of the ZnO samples analyzed in the study.
Discussion
In this section, the research discusses the analysis of 49 samples of zinc white, categorized into historical and modern samples based on their production dates. The samples were sourced from various institutions and included both powders and paints. The analysis employed multiple techniques, including optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and various luminescence methods, to characterize the samples’ morphology, size, and luminescent properties. Notably, the study found that historical samples generally exhibited larger crystallite sizes and distinct morphologies compared to modern samples, with prismoidal and acicular shapes being predominant.
The findings also revealed that luminescence behavior varied among the samples, with blue and green emissions observed under ultraviolet light, indicating differences in crystal quality and defect presence. The research highlighted that the synthesis methods employed by different manufacturers influenced the purity and characteristics of the zinc oxide, with some samples showing significant trace elements due to their production processes. The discussion emphasizes the importance of understanding these practices to better interpret the historical context and material properties of zinc white used in artworks. Overall, the study provides valuable insights into the material science of zinc white, contributing to the fields of art conservation and materials analysis.