藝術保護的歷史幾乎與藝術本身的歷史一樣悠久。米開朗基羅的西斯廷教堂壁畫在繪製完成幾十年後的16世紀中期首次修復。水損害導致了白色硝酸鉀垢的產生，當時用亞麻籽油和核桃油進行了處理。但這種表面化的解決方案只是權宜之計，缺乏如今已徹底改變該領域的科學理解。如今，保護科學家正在尋找創新的方法來清潔和保護我們的文化遺產。
英國倫敦泰特美術館的保護科學家喬伊斯·湯森德解釋說，所有保護專案都始於對作品的詳細評估。“保護人員、策展人和科學家之間總會存在爭論，思考絕對有必要做些什麼。現在是否可以選擇什麼都不做，或者這樣做是否不安全，因為物體正在惡化？”除了確保藝術品的存活，湯森德還將任何保護過程的基本道德原則描述為“確保你不對作品造成任何損害，並且在可能的情況下，你所做的任何事情都可以被後代逆轉”。
清潔的目的是將藝術品恢復到藝術家想要的樣子，但這很少簡單，有時甚至會引起爭議。例如，1994年最近一次西斯廷教堂的修復工作，受到了一些批評家的譴責，他們將如今明亮的壁畫稱為“迪士尼風格”。同樣在泰特美術館工作的保護科學家布朗溫·奧姆斯比認為，需要更細緻的觀點。“將作品恢復到其原始外觀的概念本質上是有缺陷的，因為無論採取何種程度的保護，材料都會隨著時間的推移而發生變化。”
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如何清潔一件藝術品將取決於要去除的材料的性質。對於繪畫，會使用各種有機溶劑，但最常用的溶劑是水，通常會新增螯合劑、表面活性劑或鹽來控制pH值。透過紙巾、凝膠和海綿施加溶液正逐漸成為常態，因為它可以透過將清潔系統保持在藝術品的上表面來提供控制水平。這些在20世紀80年代後期引入的凝膠通常是用纖維素或合成聚合物增稠的水基乳液。透過緩慢釋放溶劑，它們可以防止自由溶劑對油漆層造成的一些溶脹損壞。
清理過去的錯誤
保護人員面臨的問題有時是過去保護處理造成的。歷史上的保護技術在我們今天看來很奇怪——例如，西斯廷教堂在17世紀和18世紀早期進行了修復，其中使用了葡萄酒和麵包製成的海綿等。 “襯裡”老化畫布的常見做法是現在導致問題的一個很好的例子。“在19世紀，他們透過手工在表面熨燙來完成這項工作，實際上是在按壓繪畫。這導致了很多變化，”湯森德解釋說。“與此同時，如果他們沒有這樣做，這些畫作可能就不會與我們同在。”
這個問題不僅限於遙遠的過去：例如，在20世紀60年代，使用合成聚合物來鞏固和穩定壁畫（石膏基壁畫）變得很流行。它們似乎是以前使用的蠟塗層的完美替代品，但隨著時間的推移，很明顯情況並非如此。它們的存在大大改變了繪畫的表面特性，導致機械應力，以及繪畫下方鹽的結晶，從而加速了崩解。此外，聚合物本身變得褪色和變脆，尤其是在墨西哥等炎熱國家，它們被廣泛用於前哥倫布時期考古遺址的壁畫上。
這些問題推動了創新，但創造不會使保護人員暴露於有害溶劑和化學品的處理方法的需求也是如此。保護工作並非總是在實驗室中進行——保護人員可能在狹小、通風不良的空間中處理壁畫。健康和安全問題促使了新方法的出現，以及使用最大限度地減少環境危害的綠色工藝的願望。
用雷射摧毀汙垢
一種符合這些條件的方法是雷射燒蝕。可以透過雷射束的短脈衝從藝術品中去除表面沉積物。該技術於 20 世紀 70 年代首次用於清潔大理石建築和雕塑上的“黑色結殼”。這是一種經常在受汙染環境中發現的沉積物，難以清潔。它主要是石膏（硫酸鈣脫水物）與空氣傳播的顆粒混合而成。該方法推廣緩慢，因為雷射非常昂貴，而且人們對其提供的清潔控制持懷疑態度。
到 20 世紀 90 年代中期，雷射清潔已用於石材，並開始用於其他材料，如鍍金青銅和壁畫。義大利佛羅倫薩國家研究委員會應用物理研究所的物理學家薩爾瓦託·西亞諾開發了一種使用更短脈衝（只有微秒到納秒持續時間）的方法，取得了重大突破。保護中常用的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）雷射器發射波長為1064奈米的近紅外光。它們是手持式便攜裝置，在大多數情況下，會在潮溼的表面上進行處理，以防止過熱。西亞諾的研究調查了多種脈衝方法，包括Q開關，它使用光學開關來建立短至 6 納秒的最大能量脈衝。
雷射的清潔原理是透過加熱和膨脹表面，產生像快速真空吸塵器爆發一樣的壓力波，從而分離表面材料。如果層之間存在水，其汽化也會產生裂縫。較短的高強度雷射脈衝有利於壓力效應，而較長的脈衝則以熱效應為主。透過仔細選擇脈衝能量標準，雷射將去除結殼和汙垢，而不會損壞下面的材料。
西亞諾和他的團隊於2001年首次在金屬上使用雷射處理，對天堂之門進行了重大修復（天堂之門），這是佛羅倫薩聖喬瓦尼洗禮堂的鍍金青銅門，由文藝復興早期藝術家洛倫佐·吉貝爾蒂於 1401 年設計。這件傑作通常被認為是文藝復興本身的起點，其中包含 40 幅被嚴重覆蓋的舊約場景的鍍金浮雕。“使用紅外波長，它被黃金高度反射，使得雷射去除非常安全，沒有任何損壞金膜的風險，”西亞諾解釋說。
他的團隊還開始使用雷射處理壁畫，其中最有趣的例子之一是 2009-10 年羅馬下方的聖特克拉地下墓穴的修復工作。這個潮溼的地下環境中早期基督教繪畫被一層難以去除的鈣質硬殼覆蓋。西亞諾說，這是一個“用傳統方法絕對無法解決的保護問題”。雷射清潔揭示了公元四世紀墓穴天花板上使徒保羅、彼得、約翰和安德魯的最早已知影像。
西亞諾現在正在將他的雷射轉向去除油畫上的舊清漆和修復物。他仍然使用 Nd:YAG 雷射器，但將 1064 奈米光束透過非線性光學晶體，產生 532 奈米的可見綠色二次諧波波長。在這個較低的波長下，雷射透過引起光機械錶面膨脹進行清潔。西亞諾使用這種方法修復了義大利未來主義藝術家賈科莫·巴拉（1871-1958）工作室的一幅女性肖像畫。雖然不是繪畫的標準選擇，但西亞諾估計，現在有 400 多家歐洲保護機構定期使用雷射系統處理雕塑、青銅器和壁畫。
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具有奈米科學的柔和觸感
過去十年中的另一項重大創新是在保護中使用膠體科學和奈米技術。起點是 20 世紀 80 年代中期向另一位佛羅倫薩大學的科學家、膠體化學家皮耶羅·巴格利奧尼提出的一個問題：如何從佛羅倫薩布蘭卡契禮拜堂的文藝復興時期壁畫中去除蜂蠟斑點。正如巴格利奧尼回憶說，傳統的溶劑清潔因表面多孔性而不起作用。“如果你溶解蠟，[它]會更深入地滲透到牆壁內部。”
巴格利奧尼提出了一個微乳液：一種有機溶劑和水的澄清混合物，用一種位於水和有機相之間的介面處的表面活性劑穩定。微乳液中的有機相形成 5-15 奈米大小的小液滴，形成巨大的表面積，像清潔劑一樣起作用，在這種情況下溶解蠟。溶解的蠟被阻止擴散，因為有機相保留在微乳液中。有機溶劑在微乳液中不到 2%，這大大降低了整體毒性。
當去除20世紀60年代應用於壁畫的聚合物塗層成為當務之急時，人們再次請巴格利奧尼給出答案。由於氧化和交聯反應，老化使聚合物不溶於大多數有機溶劑，但巴格利奧尼創造了一系列能夠奏效的微乳液。在墨西哥，聚合物塗層遲至20世紀90年代才應用於壁畫；十年之內，很明顯這是一個錯誤。2008 年，巴格利奧尼開始與墨西哥國家考古研究所合作，為瑪雅遺址馬亞潘的壁畫制定去除處理方法。
他們提出的系統由多種溶劑組成，包括戊醇、碳酸丙烯酯和乙酸乙酯。它具有一種稱為“溶脹膠束”的結構，介於經典微乳液和膠束溶液之間，在膠束溶液中，表面活性劑分子聚集形成膠束——奈米級球形簇。在溶脹膠束中，一些溶劑分子同時存在於水相和有機液滴中，這被證明是最好和最通用的系統，能夠去除各種聚合物。巴格利奧尼認為，溶解在水中的溶劑分子首先能夠擴散到聚合物塗層中，使聚合物溶脹並分解，然後更多的溶劑從奈米液滴擴散到水中，從而實現聚合物的持續分解和脫離。
重建工作
巴格里奧尼（Baglioni）還率先使用奈米粒子修復正在退化的壁畫。藝術家通常直接在潮溼的氫氧化鈣灰泥上作畫，灰泥與大氣中的二氧化碳反應形成碳酸鈣（方解石）。幾個世紀以來，汙染和溼度導致碳酸鹽層分解，牆壁內的硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物鹽重新結晶，導致繪畫表面劣化。巴格里奧尼確信，奈米粒子將改進傳統的保護方法。“我們認為，如果我們將氫氧化鈣放回繪畫中，就可以在原位重新形成碳酸鹽碎片。”他的處理方法是將分散在酒精中的氫氧化鈣奈米粒子注入，它們的小尺寸，只有10-100奈米，使它們能夠穿透壁畫幾釐米，並緩慢地重新形成耗盡的方解石。
自從20世紀90年代後期開發出奈米粒子以來，巴格里奧尼意識到它們也適用於紙張和畫布的保護。紙張和織物中纖維素纖維的分解是透過酸催化水解發生的，導致典型的泛黃和脆化。使用氫氧化物奈米粒子，紙張和畫布被脫酸，多餘的粒子迅速轉化為碳酸鹽，提供保護性的中性pH值。
巴格里奧尼解釋說，尺寸是使用奈米粒子的關鍵標準。“根據你希望方解石形成的速度快慢，你可以調整粒子的大小。” 較小的粒子將具有更快的反應時間。為了鞏固壁畫，可以選擇較大的100奈米粒子。它們的大小平衡了穿透壁畫的能力和反應速度，反應速度足夠慢，可以產生機械強度大的大型方解石晶體。而對於紙張的儲存，高pH值可能造成損害，因此最好使用較小的50奈米粒子，以便多餘的粒子在幾小時內形成方解石。
細菌的代謝能力
一種不尋常的清潔方法來自西班牙瓦倫西亞理工大學。我們很熟悉洗衣粉中的酶，但皮拉爾·博世（Pilar Bosch）的團隊更進一步，使用細菌來去除壁畫上的無機結殼和動物膠。由於細菌可以產生大量的酶，它們可以處理複雜的清潔問題，將有機和無機物質代謝為硫化氫、分子氮或二氧化碳。在過去的10年中，該方法已成功應用於多個重要地點，包括義大利比薩的紀念公墓，這是一個13世紀的墓地，據說是在十字軍東征期間從耶路撒冷帶回的土壤上建造的。它裝飾著大量遭到嚴重破壞的壁畫。
生物學家博世與微生物學家、化學家和文物保護人員組成了一個團隊來開發這種處理方法。她說，他們是從微生物實驗室開始的：“我們必須找到能夠代謝我們想要清潔的物質而不會損害藝術品的微生物。”所有測試的細菌都是無害的，不會形成孢子。在幾個專案中，博世測試了不同的脫硝細菌菌株施氏假單胞菌，這種菌株常見於土壤和水中。選擇的菌株能夠在用瓊脂凝膠施用並放置幾個小時到幾天後去除硝酸鹽結殼和動物膠。
博世說，十年前處理過的壁畫沒有任何問題的跡象，儘管有時人們對使用細菌有一種本能的恐懼，但對該方法的興趣正在增長，幾家公司正在研究製造商業化試劑盒。她正在研究其他應用，例如去除紙張上的膠水。
丙烯酸定時炸彈
19世紀引入有機染料，隨後在20世紀引入基於丙烯酸聚合物的塗料，這引發了一場保護定時炸彈的滴答聲。文藝復興時期藝術中鮮豔色彩的存留很大程度上歸功於所使用的無機顏料的化學穩定性，但現代丙烯酸塗料並非如此。雖然問題的規模尚不清楚，但很可能在幾百年內，合成染料會褪色，塑膠粘合劑會解聚，變成粉狀。“具有挑釁性地說，我們可以說，如果你在100年後去看紐約的現代藝術博物館，它將是一個空蕩蕩的博物館，因為裡面的東西將完全降解，”巴格里奧尼說。
巴格里奧尼正在開始運用他對微乳液的知識來解決這個尚未解決的問題。他說，雖然化學反應很複雜，但他有一些關於如何逆轉化學降解的想法，並希望在未來開發出能夠重新配製原始成分的清潔凝膠。泰特美術館在現代丙烯酸塗料的保護方面也有重要的利益，奧姆斯比正在參與對其保護的持續研究。
所描述的許多創新方法已成為標準的保護實踐。雷射清潔已得到充分認可，巴格里奧尼的奈米粒子也已上市，但顧名思義，保護是一個保守的領域，新方法的採用很少會很快。西阿諾描述了保護人員的“自然惰性”，他認為這阻礙了早期雷射消融方法的採用，但巴格里奧尼承認“在某些情況下很容易”，例如在迫切需要去除聚合物時。
從長遠來看，我們可能會感謝文物保護領域中衡量的、科學的思維方式。“藝術品是獨一無二且有價值的，因此我們需要確保我們所做的事情——無論是去除某些東西還是新增某些東西——都以保護道德為指導，並經受時間的考驗，”奧姆斯比說。憑藉道德和創新的方法，現代丙烯酸藝術有望像西斯廷教堂的壁畫一樣持久。
本文經《化學世界》許可轉載。該文章於2014年6月23日首次發表。