Ανάπτυξη μεθοδολογιών διάγνωσης, αποκατάστασης με λέιζερ και ελέγχου της αυθεντικότητας αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς

Abstract

This research aims to the development of a unified methodology for the restoration of cultural heritage objects, such as paintings and coins. From the analyses of their condition, information is collected not only for an effective laser cleaning treatment, but also for the investigation of their authenticity. Initially, the special case of the burnt paintings of the Greek artist Konstantinos Parthenis is studied and the artist’s palette was reconstructed by the analyses with various diagnostic methods. Moreover, the possibility of a laser cleaning process was examined by various laser types. The conclusion was that the best results are provided by the wavelengths of 532 and 355 nm with low fluences (~40 mJ/cm2), which result to a higher control of removing the outer layers and at the same time protecting the pigments from the irradiation. The second studied category is the coins. Τhe aim is to create definite procedures for the laser cleaning treatment of coins according to their alloy and their deterioration. Τhe evaluation of various cleaning tests on coins led to the efficiency of the use of 1064 nm. It is, however, a wavelength that leads to photothermal phenomena. Therefore, the effect of the radiation to the material was predicted theoretically. For this, a mathematical model was used in order to estimate the temperature change relative to the thermal penetration depth and the time. This model was developed in the Matlab environment, while the acquired results are used to evaluate the efficiency of the used laser fluence, as well as of the fluence, in which the melting of the material will begin. The developed model proposes a safe range of fluences for the irradiation of metallic objects. However, the safe range of fluences for the mildly corroded alloys could not be expected to be applied to all the cases because of the different thickness of the corrosion and the accretions layers, e.g., the thick corroded layers require higher fluences from the theoretical ones in order to initially ablate the outer corroded layer, while the cleaning treatment is continued with the lower fluences. In some cases, the chemical composition of the alloy also affects the laser cleaning parameters, such as with the copper-aluminum alloy, where the use of a large spot size results to a uniform cleaning. Apart from the necessary adjustment of the laser parameters for each case, the cleaning conditions are also modified depending on the material, e.g., copper alloys with high copper concentration (> 95% wt.) require the application of deionized water before each semi-continuous cleaning treatment. The third and final category was based solely on the use of diagnostic methods, which, in addition to the chemical recognition of the used materials and the laser cleaning evaluation, can also provide information for the authenticity of the under examination objects. In this study, ancient coins are examined. Specifically, the Mosses octadrachm was examined by optical and chemical analyses, and it was also compared to a Bisaltai octadrachm and an Alexander I octadrachm, which are both from the same chronological period and they present similar types of coins. Regarding to the Mosses octadrachm, the optical and chemical analyses provided contradictory evidence, which are not in agreement with the historical facts, which are also limited for this particular king. Chemical analyses led to the conclusion that Mosses octadrachm is a silver coin of high purity, which is covered by chlorargyrite and low concentration of soil accreations. The specialized metallurgical capabilities are in conflict with the downgraded technical skills in the construction of the matrix for the minting of the coin. These technical failures are even perceived macroscopically. The wrong reading direction of the letters of the king’s name on the reverse side, as well as a raised area of the alloy, the direction of the spears etc. on the obverse side, are rising questions about the authenticity of the coin. The most likely version is the modern reminting of the Mosses octadrachm on an ancient one.

Σκοπός της παρούσας έρευνας είναι η δημιουργία μίας ενιαίας μεθοδολογίας δράσης για την αποκατάσταση αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς, όπως οι πίνακες ζωγραφικής και τα νομίσματα. Κατά την ανάλυση της κατάστασής τους συλλέγονται πληροφορίες για τον αποτελεσματικότερο καθαρισμό τους, ενώ παράλληλα ελέγχεται και η αυθεντικότητά τους. Αρχικά μελετάται η ειδική περίπτωση καμένων πινάκων ζωγραφικής του Κωνσταντίνου Παρθένη, όπου πραγματοποιήθηκε η ανασύνθεση της χρωματικής παλέτας του καλλιτέχνη με διαγνωστικές μεθόδους, ενώ ακολούθησε η εξέταση της δυνατότητας καθαρισμού τους με laser, έπειτα από πειράματα με διάφορους τύπους laser, που θα μπορούσε να βοηθήσει στην διάσωσή τους. Το συμπέρασμα ήταν ότι τα καλύτερα αποτελέσματα παρέχονται από τα μήκη κύματος των 532 και 355 nm με χαμηλές πυκνότητες ενέργειας (~40 mJ/cm2), έτσι ώστε να είναι ελεγχόμενη η αφαίρεση των εξωτερικών ζωγραφικών στρωμάτων και συγχρόνως να προστατεύονται οι χρωστικές που επηρεάζονται από την ακτινοβολία. Η έρευνα συνεχίστηκε με τη μελέτη νομισμάτων, όπου έγινε μία προσπάθεια ομαδοποίησης διαδικασιών και παραμέτρων καθαρισμού τους με laser αναλόγως του κράματος και της φθοράς των νομισμάτων. Ως αποδοτικότερο μήκος κύματος αξιολογήθηκε αυτό των 1064 nm, ενώ για την αποφυγή των φωτοθερμικών φαινομένων έγινε προσπάθεια πρόβλεψης της επίδρασης της ακτινοβολίας επί του υλικού. Χρησιμοποιήθηκε ένα θεωρητικό μαθηματικό μοντέλο θερμοκρασιακής μεταβολής σε σχέση με το επηρεαζόμενο θερμικά βάθος και τον χρόνο, και βάσει αυτού αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο σε περιβάλλον Matlab, τα αποτελέσματα του οποίου χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας της χρησιμοποιηθείσας πυκνότητας ενέργειας, ενώ παρουσιάζεται και η πυκνότητα ενέργειας κατά την οποία θα ξεκινήσει η τήξη του υλικού. Tο αναπτυχθέν αυτό μοντέλο προτείνει ένα ασφαλές εύρος πυκνοτήτων ενέργειας για την ακτινοβόληση μεταλλικών αντικειμένων. Είναι αναμενόμενο βέβαια ο καθαρισμός με μία συγκεκριμένη πυκνότητα ενέργειας να μην έχει αποτέλεσμα σε όλα τα πειράματα κυρίως εξαιτίας του διαφορετικού πάχους της διάβρωσης και των επικαθήσεων που καλύπτει την επιφάνειά τους, π.χ. οι διαβρωμένες επιφάνειες μεγάλου πάχους απαίτησαν υψηλές πυκνότητες ενέργειας για την αρχική αποδόμηση του εξωτερικού στρώματος ενώ ο καθαρισμός τους συνεχίστηκε με χαμηλότερες πυκνότητες ενέργειας, ωστόσο, σε κάποιες περιπτώσεις και το αρχικό κράμα των μετάλλων επηρεάζει τις παραμέτρους του laser, όπως για παράδειγμα στα κράματα χαλκού – αργιλίου όπου απέδωσε η χρήση μεγάλης διατομής της δέσμης για να καθαριστεί ομοιόμορφα η επιφάνειά τους. Πέρα από την κατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων του laser για κάθε περίπτωση, και οι συνθήκες του καθαρισμού τροποποιούνται ανάλογα με το υλικό, για παράδειγμα κράματα χαλκού υψηλής περιεκτικότητας σε χαλκό (>95% wt.) απαίτησαν την εφαρμογή απιονισμένου ύδατος πριν από τον κάθε ημι-συνεχή καθαρισμό. Πέρα από τον καθαρισμό νομισμάτων πραγματοποιήθηκε και η εξέταση της αυθεντικότητας ενός αρχαίου νομίσματος, του οκτάδραχμου του Μοσσέως, ενώ για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων έγιναν οπτικές και χημικές αναλύσεις σε άλλα δύο νομίσματα της ίδιας περιόδου, ενός Βισαλτικού οκτάδραχμου και ενός οκτάδραχμου του Αλεξάνδρου Α’. Οι αναλύσεις του οκτάδραχμου του Μοσσέως παρέχουν αντικρουόμενα στοιχεία, τα οποία και δεν συμβαδίζουν με τα ιστορικά στοιχεία, τα οποία είναι και αυτά ελλιπή για τον συγκεκριμένο βασιλιά. Οι χημικές αναλύσεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το οκτάδραχμο του Μοσσέως είναι ένα νόμισμα υψηλής καθαρότητας σε άργυρο, με την ξεκάθαρη παρουσία του κεραργυρίτη και συγχρόνως την ελάχιστη συγκέντρωση επικαθήσεων στην επιφάνειά του. Οι εξελιγμένες μεταλλουργικές δυνατότητες έρχονται σε σύγκρουση με τις μειωμένες τεχνικές δεξιότητες ως προς την κατασκευή των μητρών. Οι κατασκευαστικές αστοχίες γίνονται αντιληπτές ακόμη και μακροσκοπικά. Η λανθασμένη κατεύθυνση ανάγνωσης των γραμμάτων στον οπισθότυπο, αλλά και μία ανυψωμένη λωρίδα κράματος, η κατεύθυνση των δοράτων κ.α. στον εμπροσθότυπο εγείρουν ερωτήματα σχετικά με την αυθεντικότητα του νομίσματος. Ως πιθανότερη εκδοχή παρουσιάζεται η σύγχρονη επικοπή του οκτάδραχμου του Μοσσέως σε άλλο αρχαίο νόμισμα παρόμοιου τύπου.