Исследование разрушения киновари и сурика в настенных росписях под воздействием солей

Учёные выяснили, как соли разрушают пигменты киновари и сурика в древних настенных росписях, и определили пороговые значения влажности и концентрации солей. Это открытие поможет реставраторам сохранять фрески и картины по всему миру.

Киноварь и сурик — два самых ярких и древних пигмента, которые использовали художники от Помпей до Древнего Китая. Но под воздействием солей и влаги эти краски могут необратимо разрушаться, превращаясь в чёрные или белые пятна. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Heritage Science, впервые определило точные пороги и механизмы этого разрушения. Учёные из Института сохранения культурного наследия (Китай) и Университета Тунцзи провели серию экспериментов, чтобы понять, как хлориды и сульфаты влияют на пигментные слои. Результаты помогут реставраторам выбирать оптимальные условия хранения и обработки настенных росписей, а также разрабатывать новые методы консервации.

Киноварь и сурик: как соли разрушают древние пигменты

Киноварь (сульфид ртути, HgS) и сурик (тетраоксид свинца, Pb3O4) — одни из самых устойчивых и ярких пигментов, известных человечеству. Они встречаются в настенных росписях по всему миру: от египетских гробниц до буддийских пещерных храмов. Однако в солёной среде — например, в прибрежных зонах или в регионах с засоленными грунтовыми водами — эти пигменты могут деградировать. Ранее было известно, что соли вызывают кристаллизацию и механическое напряжение в красочном слое, но точные химические реакции и пороговые значения оставались неясными.

В новом исследовании учёные воспроизвели условия, характерные для настенных росписей в пещерах Могао (объект Всемирного наследия ЮНЕСКО в Китае), и подвергли образцы киновари и сурика воздействию растворов хлорида натрия и сульфата натрия. Они измеряли изменения цвета, микроструктуры и химического состава пигментов в зависимости от концентрации солей и относительной влажности. Оказалось, что киноварь начинает разрушаться при концентрации солей выше 2% и относительной влажности более 75%, превращаясь в чёрный метациннабарит. Сурик, в свою очередь, деградирует при более низких концентрациях — уже при 1% солей и влажности 60% — с образованием белого карбоната свинца.

Предыстория и контекст: почему это важно для сохранения культурного наследия

Проблема солевого разрушения настенных росписей известна давно. Ещё в XIX веке реставраторы замечали, что фрески в сырых церквях покрываются белым налётом и теряют яркость. Однако систематические исследования начались только в середине XX века, когда были разработаны методы анализа микрочастиц. Сегодня, с ростом туризма и изменением климата, проблема стала ещё острее: пещерные храмы, такие как Могао и Аджанта, страдают от повышенной влажности и солей, приносимых посетителями и грунтовыми водами.

Новое исследование вписывается в более широкий контекст изучения деградации пигментов. Ранее учёные уже определили, что ультрафиолет и высокая температура разрушают органические красители, но минеральные пигменты считались относительно стабильными. Теперь ясно, что соли — не менее опасный враг. Понимание точных порогов позволяет реставраторам разрабатывать профилактические меры, например, контролировать влажность в музеях и храмах, а также выбирать подходящие материалы для укрепления красочного слоя.

Как соли разрушают пигменты: механизмы и пороговые значения

Механизм разрушения киновари включает два этапа: сначала ионы хлора проникают в кристаллическую решётку сульфида ртути, вызывая её перестройку в метациннабарит — чёрную полиморфную модификацию. Этот процесс ускоряется при высокой влажности, когда соли переходят в раствор и становятся более активными. У сурика механизм иной: под воздействием углекислого газа и влаги образуется карбонат свинца, который имеет белый цвет и меньшую адгезию к основе, что приводит к отслаиванию пигментного слоя.

Пороговые значения, определённые в исследовании, имеют практическое значение. Для киновари критическая относительная влажность составляет 75%, а концентрация солей — 2% от массы пигмента. Для сурика эти показатели ниже: 60% влажности и 1% солей. Это означает, что сурик более уязвим, и реставраторам следует уделять особое внимание росписям, где использован этот пигмент. Кроме того, исследователи выяснили, что сульфаты менее агрессивны, чем хлориды, но при длительном воздействии они также могут вызывать деградацию.

Технические подробности: как проводились эксперименты и что показали результаты

В ходе экспериментов учёные использовали образцы киновари и сурика, нанесённые на известковую штукатурку, имитирующую реальные настенные росписи. Образцы подвергались циклическому увлажнению и высушиванию в климатической камере с контролем температуры и влажности. Концентрации солей варьировались от 0,5% до 5%, а относительная влажность — от 50% до 90%. Состояние пигментов оценивалось с помощью спектрофотометрии (измерение цвета), рентгеновской дифрактометрии (анализ кристаллической структуры) и электронной микроскопии (изучение микроструктуры).

Результаты показали, что скорость деградации зависит не только от концентрации солей и влажности, но и от количества циклов увлажнения. При каждом цикле соли мигрируют к поверхности, кристаллизуются и создают механическое напряжение, которое дополнительно разрушает пигментный слой. Это объясняет, почему в реальных условиях росписи разрушаются быстрее, чем в стабильных лабораторных условиях. Учёные также обнаружили, что добавление некоторых стабилизаторов, например, наночастиц оксида кальция, может замедлить процесс деградации, но только при условии контроля влажности.

Кого затронет это открытие и как его применят на практике

Результаты исследования будут полезны прежде всего реставраторам и хранителям музейных коллекций. Они смогут точнее определять допустимые уровни влажности и солей в помещениях, где хранятся настенные росписи, фрески и иконы. Например, для росписей, содержащих сурик, рекомендуется поддерживать относительную влажность ниже 60% и регулярно проверять содержание солей в стенах. Для киновари порог выше, но всё равно необходимо избегать длительного пребывания в условиях высокой влажности.

В России и странах СНГ эта проблема актуальна для древних храмов и монастырей, особенно в регионах с влажным климатом или засоленными почвами. Например, фрески в новгородских церквях и киевских соборах страдают от солевых выцветов. Реставраторы теперь могут использовать данные исследования для обоснования требований к климатическому контролю и выбору методов укрепления красочного слоя. Кроме того, результаты помогут при разработке новых материалов для консервации, которые будут более устойчивы к солям.

Что дальше: перспективы и будущие исследования

Авторы исследования планируют расширить эксперименты, включив другие минеральные пигменты, такие как азурит и малахит, а также органические связующие, которые часто используются в темперной живописи. Они также надеются разработать математическую модель, которая позволит прогнозировать скорость деградации пигментов в зависимости от климатических условий и состава солей. Это поможет реставраторам принимать решения о необходимости превентивной консервации ещё до появления видимых повреждений.

В ближайшие годы можно ожидать, что эти данные будут включены в международные стандарты по хранению произведений искусства, например, в рекомендации ИКОМОС (Международный совет по сохранению памятников и достопримечательных мест). Также возможно создание мобильных устройств для экспресс-анализа содержания солей в стенах, что упростит мониторинг состояния росписей в удалённых местах, таких как пещерные храмы.

Итог

Исследование впервые установило точные пороги разрушения киновари и сурика под воздействием солей, показав, что сурик более уязвим, чем считалось ранее. Эти данные имеют прямое практическое значение для сохранения мирового культурного наследия. Реставраторы и хранители музеев теперь могут более обоснованно подходить к контролю климата и выбору методов консервации, а учёные — продолжать изучение механизмов деградации пигментов. Следите за новыми публикациями в этой области, чтобы быть в курсе последних разработок.