任何經常逛博物館的人都會注意到紅色硃砂顏料變暗、變得柔和的顏色，這立即表明一幅畫作已經有幾個世紀的歷史了。但是，這種變暗的原因至少可以追溯到1200年前，一直是個謎。現在，科學家們利用對中世紀西班牙壁畫中顏料的X射線分析來研究退化，並提出了一個以前沒有考慮過的新解釋。
顏色是由從物體反射的光的波長決定的。當光線照射到表面時，某些波長會被材料的電子吸收，這些電子利用能量的提升跳到更高的能級。不同的化學物質可以吸收不同波長的光，而它們無法吸收的波長會反射回來，被觀察者看到為特定的顏色。這個過程由於激發電子和它們跳躍後留下的空能級之間的相互作用而變得複雜。
布魯塞爾自由大學的法比亞娜·達·皮耶夫說：“這項工作中最大的挑戰之一是正確描述這些相互作用所造成的影響。”達·皮耶夫與義大利國家研究委員會的康納·霍根以及他們的同事一起，分析了來自巴塞羅那14世紀佩德拉貝斯修道院的壁畫樣本，這些壁畫大量使用了硃砂顏料。研究人員對樣本進行了X射線衍射，以確定壁畫中不同層的化學成分，並將這些資料與基於量子力學的計算相結合，以預測每種存在的化學物質應產生哪種顏色。
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該分析於11月15日發表在《物理評論快報》上，結果表明，根據量子力學，一些先前提出的變黑的化學途徑是錯誤的。相反，研究人員提出了一條新的硃砂降解途徑，該途徑將其他各種研究提出的建議聯絡在一起。
硃砂由一種叫做硃砂的礦物製成，它由硫化汞組成。研究人員表明，當繪畫表面被光照射時，潮溼的空氣使存在於灰塵中的氯離子（例如，氯化鈉或鹽）沉積在油漆上，硫化汞可以吸收氯離子，將其轉化為另一種名為氯汞礦的礦物。
果然，X射線分析顯示，壁畫上以多種形式存在氯汞礦。這種礦物不穩定，可以直接產生金屬汞（顏色為黑色），以及一種名為氯化汞的礦物，後者最終也可能產生金屬汞。
雖然科學家們在他們檢查的繪畫層中檢測到了氯化汞，但他們未能發現金屬汞，因為這種物質在室溫下是液體，而衍射只能檢測固體，所以金屬汞對於X射線衍射是不可見的。
儘管如此，研究人員認為，金屬汞是硃砂變黑的最可能罪魁禍首，並且他們是第一個為產生該化合物而制定出這些精確化學途徑的人。倫敦國家美術館的文物保護員瑪麗卡·斯普林也研究過硃砂的變黑，她說：“對於產生的這種黑色產物是什麼，這是一個很有說服力的論點，它肯定會推動我們對正在發生的事情的確切理解。”
先前的研究表明，硫化汞中帶電的汞原子可能直接轉化為中性的金屬汞原子，但新的分析表明，照射繪畫的光線無法為這種轉化提供必要的能量，從而駁斥了作為變黑解釋的潛在途徑。然而，要確定達·皮耶夫及其同事的解釋是否正確還為時過早，倫敦大英博物館的文物保護和科學研究主管大衛·桑德斯說。首先，需要有金屬汞存在於硃砂繪畫表面的直接證據。
瞭解硃砂如何變黑應該有助於文物保護人員減少未來對老舊繪畫的損害。“瞭解顏色可能發生的變化，可以讓我們想象作品曾經的樣子，並據此進行解釋，避免對顏色產生錯誤的解釋，這些解釋並非來自最初的意圖，而是來自時間造成的改變，”桑德斯說。我們可能永遠無法確切知道古老的傑作在畫家眼中是什麼樣子，但科學正使我們比以往任何時候都更接近看到它們本來的樣子。