[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用SEM-EDX、EBSD、拉曼光谱和FTIR显微光谱技术，调查了19世纪玻璃珠中纳米及微晶对玻璃劣化的影响。研究发现，由原料成分和制造工艺驱动的晶体形成显著加剧了玻璃的结构不稳定性，导致玻璃劣化加速。

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.

研究动机与目标

• 理解19世纪玻璃珠加速劣化的原因，特别是与晶内含物的关系。
• 识别历史重要玻璃珠中存在晶体的元素和结构组成。
• 将晶体形成与19世纪玻璃制造中使用的特定原料和工艺技术相关联。
• 评估晶体存在对历史玻璃文物物理和化学稳定性的影响。
• 通过识别玻璃珠中晶相相关的劣化机制，为保护科学提供支持。

提出的方法

• 采用带波长色散X射线能谱的扫描电子显微镜（SEM-EDX）分析晶体的表面形貌和元素组成。
• 使用电子背散射衍射（EBSD）测定内含物的晶体学结构和取向。
• 应用拉曼显微光谱技术识别晶体相的分子振动和相组成。
• 开展傅里叶变换红外（FTIR）显微光谱分析，评估玻璃基体中的分子键合和结构变化。
• 对比不同颜色和保存状态的玻璃珠，识别晶体存在与劣化程度之间的相关性。
• 整合多技术数据，建立对晶体内含物及其对玻璃稳定性影响的综合表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 19世纪玻璃珠中存在哪些类型的纳米及微晶？其分布如何随颜色和保存状态变化？
• RQ2 晶体的元素组成与历史玻璃生产中使用的原料和工艺添加剂之间有何关联？
• RQ3 内含物的晶体学结构是什么？其与玻璃的机械和化学不稳定性有何关系？
• RQ4 晶相在历史玻璃珠中观察到的劣化模式中起到了多大程度的贡献？
• RQ5 晶体的存在及其性质能否作为预测玻璃文物长期稳定性的诊断工具？

主要发现

• 确认19世纪玻璃珠中存在纳米及微晶是导致玻璃加速劣化的重要因素。
• 晶体组成因玻璃珠颜色和制造来源而异，其元素特征与特定原料和助熔剂密切相关。
• EBSD分析显示，晶体具有明确的晶体学结构，表明冷却过程中发生了相分离。
• 拉曼光谱和FTIR光谱识别出以硅酸盐为基础的晶体相，包括可能的辉石类和似霞石结构。
• 晶体含量较高的玻璃珠表现出更明显的表面凹坑、开裂和光泽丧失，表明存在活跃的劣化过程。
• 本研究证明，晶体形成并非被动副产物，而是历史玻璃不稳定的主因，尤其在化学成分复杂的玻璃珠中更为显著。