[논문 리뷰] Crystals in the 19th century glass beads

Irina F. Kadikova, Tatyana V. Yuryeva외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 28.

Cultural Heritage Materials Analysis참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 SEM-EDX, EBSD, 라만 및 FTIR 마이크로분광법을 사용하여 19세기 유리 구슬의 분해에 미치는 나노 및 마이크로 결정의 역할을 조사한다. 연구에서는 원료 조성과 제조 공정에 의해 유도되는 결정 형성의 영향으로 인해 구조적 불안정성과 유리의 가속 분해가 심각하게 영향을 받는 것으로 밝혀졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 19세기 유리 구슬의 가속 분해 원인을 이해하고, 특히 결정성 포함물과의 관련성을 규명한다.
• 역사적으로 중요한 유리 구슬에 존재하는 결정의 원소 및 구조적 조성을 규명한다.
• 19세기 유리 제조에서 사용된 특정 원료 및 제조 기술과 결정 형성 간의 상관관계를 규명한다.
• 결정 존재가 역사적 유리 유물의 물리적 및 화학적 안정성에 미치는 영향을 평가한다.
• 결정 상과 관련된 분해 메커니즘을 규명함으로써 보존 과학을 지원한다.

제안 방법

• 표면 미세형태 및 결정의 원소 조성을 분석하기 위해 스캐닝 전자현미경과 에너지 분산 X선 분석( SEM-EDX)을 활용하였다.
• 포함물의 결정학적 구조 및 정렬을 규명하기 위해 전자 반사 회절(EBSD)을 사용하였다.
• 결정 상의 분자 진동 및 상 조성을 규명하기 위해 라만 마이크로분광법을 적용하였다.
• 유리 매트릭스의 분자 결합 및 구조적 변화를 평가하기 위해 푸리에 변환 적외선(FTIR) 마이크로분광법을 시행하였다.
• 색상과 보존 상태가 다른 구슬을 비교하여 결정 존재와 분해 수준 간의 상관관계를 규명하였다.
• 다중 기술 데이터를 통합하여 결정 포함물의 종합적 특성 및 유리 안정성에 대한 영향을 확립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 19세기 유리 구슬에 존재하는 나노 및 마이크로 결정의 유형은 무엇이며, 색상과 보존 상태에 따라 어떻게 다를까?
• RQ2 결정의 원소 조성이 역사적 유리 제조에서 사용된 원료 및 기술적 첨가제와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 포함물의 결정학적 구조는 무엇이며, 이는 유리의 기계적 및 화학적 불안정성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 결정 상이 역사적 유리 구슬의 관찰된 분해 패턴에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 결정의 존재 및 성질을 활용하여 유리 유물의 장기적 안정성을 예측하는 데 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 19세기 유리 구슬에 존재하는 나노 및 마이크로 결정은 유리의 가속 분해에 중요한 요인로 확인되었다.
• 결정 조성이 구슬의 색상과 제조 근원에 따라 다양했으며, 특정 원료 및 유리화제와 관련된 고유한 원소 서명이 확인되었다.
• EBSD 분석을 통해 결정이 냉각 과정 중 상분리가 일어난 것을 시사하는 잘 정의된 결정학적 구조를 보였다.
• 라만 및 FTIR 분광법을 통해 실리케이트 기반의 결정 상이 확인되었으며, 디비티라이트 및 나이프린 유사 상이 포함될 가능성이 제기되었다.
• 결정 함량이 높은 구슬에서는 표면의 함몰, 균열 및 빛 반사도 감소가 뚜렷하게 나타나 활성 분해가 진행 중임을 시사하였다.
• 이 연구는 결정 형성이 수동적인 부산물가 아니라, 특히 복잡한 화학 조성을 가진 유리에서 불안정성의 주요 원인임을 입증하였다.