[論文レビュー] Crystals in the 19th century glass beads

Irina F. Kadikova, Tatyana V. Yuryeva+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Cultural Heritage Materials Analysis参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、SEM-EDX、EBSD、ラマン分光法、FTIRマイクロスペクトロスコピーを用いて、19世紀のガラスビーズにおけるナノ・ミクロ結晶の役割を調査した。結晶の形成は、原料の組成と製造工程によって駆動され、構造的不安定性とガラスの劣化の加速に顕著に寄与していることが明らかになった。

ABSTRACT

Glass seed beads probably are the most numerous group of art historical glass. From the ancient times to the modern era, glass beads played an essential role in culture, as they were used, e.g., to decorate clothing, religious objects and functional tools, and served as an important good for global trade. The conservation state of items made of glass beads is an actual issue for curators and conservators. Glass, as well known, is often unstable material, so a number of internal and external factors are responsible for chemical and physical processes in glass and on the glass surface. It was noticed that some types of historical 19th century glass beads are subjected to more intense destruction than others. The samples of glass beads of different colours and conservation states were examined by means of SEM-EDX, EBSD, Raman and FTIR microspectroscopy. Research showed that some types of beads are characterized by the presence of nano- and microcrystals in glass, which could be one of the causes of glass destruction. The elemental composition of crystals is different in each case and depends on raw materials and technical components used for glass manufacturing. The structure of crystals was identified by means of EBSD analysis.

研究の動機と目的

• 19世紀のガラスビーズにおける加速的劣化の原因、特に結晶性インクルージョンとの関連を理解すること。
• 歴史的に重要なガラスビーズに存在する結晶の元素および構造的組成を特定すること。
• 19世紀のガラス製造で用いられた特定の原料および製造技術と結晶形成を関連付けること。
• 結晶の存在が、歴史的ガラス工芸品の物理的および化学的安定性に与える影響を評価すること。
• 結晶相に関連する劣化機構を同定することで、保存科学を支援すること。

提案手法

• 結晶の表面被膜および元素組成を分析するために、エネルギー分散型X線スペクトロメトリーを併用した走査電子顕微鏡（SEM-EDX）を用いた。
• インクルージョンの結晶構造および配向を特定するために、電子バックストリート回折（EBSD）を用いた。
• 結晶相の分子振動および相組成を同定するために、ラマンマイクロスペクトロスコピーを適用した。
• ガラスマトリックス内の分子結合および構造的変化を評価するために、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）マイクロスペクトロスコピーを実施した。
• 色や保存状態が異なるビーズを比較し、結晶の存在と劣化度との相関関係を同定した。
• 複数の技術によるデータ統合を通じて、結晶性インクルージョンの包括的同定およびガラス安定性への影響を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 19世紀のガラスビーズに存在するナノ・ミクロ結晶の種類は何か。また、色や保存状態によってどのように変化するか。
• RQ2 結晶の元素組成は、歴史的ガラス生産で用いられた原料および技術的添加物とどのように相関するか。
• RQ3 インクルージョンの結晶構造は何か。また、ガラスの機械的および化学的不安定性とどのように関連するか。
• RQ4 結晶相が、歴史的ガラスビーズに観察された劣化パターンにどの程度寄与しているか。
• RQ5 結晶の存在と性質を、ガラス工芸品の長期的安定性を予測するための診断的ツールとして利用できるか。

主な発見

• 19世紀のガラスビーズにナノ・ミクロ結晶が存在することは、ガラス劣化の加速要因として顕著に確認された。
• 結晶の組成はビーズの色や製造起源によって異なり、特定の原料およびフラックスと関連する明確な元素シグネチャが確認された。
• EBSD分析により、結晶が明確な結晶構造を示しており、冷却過程における相分離を示していることが判明した。
• ラマンおよびFTIR分光法により、ケイ酸塩を基盤とする結晶相が同定され、デビチライトおよびネフリン類似構造の可能性が示された。
• 結晶含有量の多いビーズでは、表面のくぼみ、亀裂、光沢の喪失が顕著に観察され、著しい劣化が進行していることが示された。
• 本研究は、結晶形成が受動的な副産物ではなく、特に複雑な化学組成を有するビーズにおいて、不安定性の主要因であることを示した。