艺术保护的历史几乎与艺术本身的历史一样悠久。米开朗基罗的西斯廷教堂壁画在绘制完成几十年后的16世纪中期首次修复。水损害导致了白色硝酸钾垢的产生，当时用亚麻籽油和核桃油进行了处理。但这种表面化的解决方案只是权宜之计，缺乏如今已彻底改变该领域的科学理解。如今，保护科学家正在寻找创新的方法来清洁和保护我们的文化遗产。
英国伦敦泰特美术馆的保护科学家乔伊斯·汤森德解释说，所有保护项目都始于对作品的详细评估。“保护人员、策展人和科学家之间总会存在争论，思考绝对有必要做些什么。现在是否可以选择什么都不做，或者这样做是否不安全，因为物体正在恶化？”除了确保艺术品的存活，汤森德还将任何保护过程的基本道德原则描述为“确保你不对作品造成任何损害，并且在可能的情况下，你所做的任何事情都可以被后代逆转”。
清洁的目的是将艺术品恢复到艺术家想要的样子，但这很少简单，有时甚至会引起争议。例如，1994年最近一次西斯廷教堂的修复工作，受到了一些批评家的谴责，他们将如今明亮的壁画称为“迪士尼风格”。同样在泰特美术馆工作的保护科学家布朗温·奥姆斯比认为，需要更细致的观点。“将作品恢复到其原始外观的概念本质上是有缺陷的，因为无论采取何种程度的保护，材料都会随着时间的推移而发生变化。”
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如何清洁一件艺术品将取决于要去除的材料的性质。对于绘画，会使用各种有机溶剂，但最常用的溶剂是水，通常会添加螯合剂、表面活性剂或盐来控制pH值。通过纸巾、凝胶和海绵施加溶液正逐渐成为常态，因为它可以通过将清洁系统保持在艺术品的上表面来提供控制水平。这些在20世纪80年代后期引入的凝胶通常是用纤维素或合成聚合物增稠的水基乳液。通过缓慢释放溶剂，它们可以防止自由溶剂对油漆层造成的一些溶胀损坏。
清理过去的错误
保护人员面临的问题有时是过去保护处理造成的。历史上的保护技术在我们今天看来很奇怪——例如，西斯廷教堂在17世纪和18世纪早期进行了修复，其中使用了葡萄酒和面包制成的海绵等。 “衬里”老化画布的常见做法是现在导致问题的一个很好的例子。“在19世纪，他们通过手工在表面熨烫来完成这项工作，实际上是在按压绘画。这导致了很多变化，”汤森德解释说。“与此同时，如果他们没有这样做，这些画作可能就不会与我们同在。”
这个问题不仅限于遥远的过去：例如，在20世纪60年代，使用合成聚合物来巩固和稳定壁画（石膏基壁画）变得很流行。它们似乎是以前使用的蜡涂层的完美替代品，但随着时间的推移，很明显情况并非如此。它们的存在大大改变了绘画的表面特性，导致机械应力，以及绘画下方盐的结晶，从而加速了崩解。此外，聚合物本身变得褪色和变脆，尤其是在墨西哥等炎热国家，它们被广泛用于前哥伦布时期考古遗址的壁画上。
这些问题推动了创新，但创造不会使保护人员暴露于有害溶剂和化学品的处理方法的需求也是如此。保护工作并非总是在实验室中进行——保护人员可能在狭小、通风不良的空间中处理壁画。健康和安全问题促使了新方法的出现，以及使用最大限度地减少环境危害的绿色工艺的愿望。
用激光摧毁污垢
一种符合这些条件的方法是激光烧蚀。可以通过激光束的短脉冲从艺术品中去除表面沉积物。该技术于 20 世纪 70 年代首次用于清洁大理石建筑和雕塑上的“黑色结壳”。这是一种经常在受污染环境中发现的沉积物，难以清洁。它主要是石膏（硫酸钙脱水物）与空气传播的颗粒混合而成。该方法推广缓慢，因为激光非常昂贵，而且人们对其提供的清洁控制持怀疑态度。
到 20 世纪 90 年代中期，激光清洁已用于石材，并开始用于其他材料，如镀金青铜和壁画。意大利佛罗伦萨国家研究委员会应用物理研究所的物理学家萨尔瓦托·西亚诺开发了一种使用更短脉冲（只有微秒到纳秒持续时间）的方法，取得了重大突破。保护中常用的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器发射波长为1064纳米的近红外光。它们是手持式便携设备，在大多数情况下，会在潮湿的表面上进行处理，以防止过热。西亚诺的研究调查了多种脉冲方法，包括Q开关，它使用光学开关来创建短至 6 纳秒的最大能量脉冲。
激光的清洁原理是通过加热和膨胀表面，产生像快速真空吸尘器爆发一样的压力波，从而分离表面材料。如果层之间存在水，其汽化也会产生裂缝。较短的高强度激光脉冲有利于压力效应，而较长的脉冲则以热效应为主。通过仔细选择脉冲能量标准，激光将去除结壳和污垢，而不会损坏下面的材料。
西亚诺和他的团队于2001年首次在金属上使用激光处理，对天堂之门进行了重大修复（天堂之门），这是佛罗伦萨圣乔瓦尼洗礼堂的镀金青铜门，由文艺复兴早期艺术家洛伦佐·吉贝尔蒂于 1401 年设计。这件杰作通常被认为是文艺复兴本身的起点，其中包含 40 幅被严重覆盖的旧约场景的镀金浮雕。“使用红外波长，它被黄金高度反射，使得激光去除非常安全，没有任何损坏金膜的风险，”西亚诺解释说。
他的团队还开始使用激光处理壁画，其中最有趣的例子之一是 2009-10 年罗马下方的圣特克拉地下墓穴的修复工作。这个潮湿的地下环境中早期基督教绘画被一层难以去除的钙质硬壳覆盖。西亚诺说，这是一个“用传统方法绝对无法解决的保护问题”。激光清洁揭示了公元四世纪墓穴天花板上使徒保罗、彼得、约翰和安德鲁的最早已知图像。
西亚诺现在正在将他的激光转向去除油画上的旧清漆和修复物。他仍然使用 Nd:YAG 激光器，但将 1064 纳米光束通过非线性光学晶体，产生 532 纳米的可见绿色二次谐波波长。在这个较低的波长下，激光通过引起光机械表面膨胀进行清洁。西亚诺使用这种方法修复了意大利未来主义艺术家贾科莫·巴拉（1871-1958）工作室的一幅女性肖像画。虽然不是绘画的标准选择，但西亚诺估计，现在有 400 多家欧洲保护机构定期使用激光系统处理雕塑、青铜器和壁画。
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具有纳米科学的柔和触感
过去十年中的另一项重大创新是在保护中使用胶体科学和纳米技术。起点是 20 世纪 80 年代中期向另一位佛罗伦萨大学的科学家、胶体化学家皮耶罗·巴格利奥尼提出的一个问题：如何从佛罗伦萨布兰卡契礼拜堂的文艺复兴时期壁画中去除蜂蜡斑点。正如巴格利奥尼回忆说，传统的溶剂清洁因表面多孔性而不起作用。“如果你溶解蜡，[它]会更深入地渗透到墙壁内部。”
巴格利奥尼提出了一个微乳液：一种有机溶剂和水的澄清混合物，用一种位于水和有机相之间的界面处的表面活性剂稳定。微乳液中的有机相形成 5-15 纳米大小的小液滴，形成巨大的表面积，像清洁剂一样起作用，在这种情况下溶解蜡。溶解的蜡被阻止扩散，因为有机相保留在微乳液中。有机溶剂在微乳液中不到 2%，这大大降低了整体毒性。
当去除20世纪60年代应用于壁画的聚合物涂层成为当务之急时，人们再次请巴格利奥尼给出答案。由于氧化和交联反应，老化使聚合物不溶于大多数有机溶剂，但巴格利奥尼创造了一系列能够奏效的微乳液。在墨西哥，聚合物涂层迟至20世纪90年代才应用于壁画；十年之内，很明显这是一个错误。2008 年，巴格利奥尼开始与墨西哥国家考古研究所合作，为玛雅遗址马亚潘的壁画制定去除处理方法。
他们提出的系统由多种溶剂组成，包括戊醇、碳酸丙烯酯和乙酸乙酯。它具有一种称为“溶胀胶束”的结构，介于经典微乳液和胶束溶液之间，在胶束溶液中，表面活性剂分子聚集形成胶束——纳米级球形簇。在溶胀胶束中，一些溶剂分子同时存在于水相和有机液滴中，这被证明是最好和最通用的系统，能够去除各种聚合物。巴格利奥尼认为，溶解在水中的溶剂分子首先能够扩散到聚合物涂层中，使聚合物溶胀并分解，然后更多的溶剂从纳米液滴扩散到水中，从而实现聚合物的持续分解和脱离。
重建工作
巴格里奥尼（Baglioni）还率先使用纳米粒子修复正在退化的壁画。艺术家通常直接在潮湿的氢氧化钙灰泥上作画，灰泥与大气中的二氧化碳反应形成碳酸钙（方解石）。几个世纪以来，污染和湿度导致碳酸盐层分解，墙壁内的硫酸盐、硝酸盐和氯化物盐重新结晶，导致绘画表面劣化。巴格里奥尼确信，纳米粒子将改进传统的保护方法。“我们认为，如果我们将氢氧化钙放回绘画中，就可以在原位重新形成碳酸盐碎片。”他的处理方法是将分散在酒精中的氢氧化钙纳米粒子注入，它们的小尺寸，只有10-100纳米，使它们能够穿透壁画几厘米，并缓慢地重新形成耗尽的方解石。
自从20世纪90年代后期开发出纳米粒子以来，巴格里奥尼意识到它们也适用于纸张和画布的保护。纸张和织物中纤维素纤维的分解是通过酸催化水解发生的，导致典型的泛黄和脆化。使用氢氧化物纳米粒子，纸张和画布被脱酸，多余的粒子迅速转化为碳酸盐，提供保护性的中性pH值。
巴格里奥尼解释说，尺寸是使用纳米粒子的关键标准。“根据你希望方解石形成的速度快慢，你可以调整粒子的大小。” 较小的粒子将具有更快的反应时间。为了巩固壁画，可以选择较大的100纳米粒子。它们的大小平衡了穿透壁画的能力和反应速度，反应速度足够慢，可以产生机械强度大的大型方解石晶体。而对于纸张的保存，高pH值可能造成损害，因此最好使用较小的50纳米粒子，以便多余的粒子在几小时内形成方解石。
细菌的代谢能力
一种不寻常的清洁方法来自西班牙瓦伦西亚理工大学。我们很熟悉洗衣粉中的酶，但皮拉尔·博世（Pilar Bosch）的团队更进一步，使用细菌来去除壁画上的无机结壳和动物胶。由于细菌可以产生大量的酶，它们可以处理复杂的清洁问题，将有机和无机物质代谢为硫化氢、分子氮或二氧化碳。在过去的10年中，该方法已成功应用于多个重要地点，包括意大利比萨的纪念公墓，这是一个13世纪的墓地，据说是在十字军东征期间从耶路撒冷带回的土壤上建造的。它装饰着大量遭到严重破坏的壁画。
生物学家博世与微生物学家、化学家和文物保护人员组成了一个团队来开发这种处理方法。她说，他们是从微生物实验室开始的：“我们必须找到能够代谢我们想要清洁的物质而不会损害艺术品的微生物。”所有测试的细菌都是无害的，不会形成孢子。在几个项目中，博世测试了不同的脱硝细菌菌株施氏假单胞菌，这种菌株常见于土壤和水中。选择的菌株能够在用琼脂凝胶施用并放置几个小时到几天后去除硝酸盐结壳和动物胶。
博世说，十年前处理过的壁画没有任何问题的迹象，尽管有时人们对使用细菌有一种本能的恐惧，但对该方法的兴趣正在增长，几家公司正在研究制造商业化试剂盒。她正在研究其他应用，例如去除纸张上的胶水。
丙烯酸定时炸弹
19世纪引入有机染料，随后在20世纪引入基于丙烯酸聚合物的涂料，这引发了一场保护定时炸弹的滴答声。文艺复兴时期艺术中鲜艳色彩的存留很大程度上归功于所使用的无机颜料的化学稳定性，但现代丙烯酸涂料并非如此。虽然问题的规模尚不清楚，但很可能在几百年内，合成染料会褪色，塑料粘合剂会解聚，变成粉状。“具有挑衅性地说，我们可以说，如果你在100年后去看纽约的现代艺术博物馆，它将是一个空荡荡的博物馆，因为里面的东西将完全降解，”巴格里奥尼说。
巴格里奥尼正在开始运用他对微乳液的知识来解决这个尚未解决的问题。他说，虽然化学反应很复杂，但他有一些关于如何逆转化学降解的想法，并希望在未来开发出能够重新配制原始成分的清洁凝胶。泰特美术馆在现代丙烯酸涂料的保护方面也有重要的利益，奥姆斯比正在参与对其保护的持续研究。
所描述的许多创新方法已成为标准的保护实践。激光清洁已得到充分认可，巴格里奥尼的纳米粒子也已上市，但顾名思义，保护是一个保守的领域，新方法的采用很少会很快。西阿诺描述了保护人员的“自然惰性”，他认为这阻碍了早期激光消融方法的采用，但巴格里奥尼承认“在某些情况下很容易”，例如在迫切需要去除聚合物时。
从长远来看，我们可能会感谢文物保护领域中衡量的、科学的思维方式。“艺术品是独一无二且有价值的，因此我们需要确保我们所做的事情——无论是去除某些东西还是添加某些东西——都以保护道德为指导，并经受时间的考验，”奥姆斯比说。凭借道德和创新的方法，现代丙烯酸艺术有望像西斯廷教堂的壁画一样持久。
本文经《化学世界》许可转载。该文章于2014年6月23日首次发表。