任何经常逛博物馆的人都会注意到红色朱砂颜料变暗、变得柔和的颜色，这立即表明一幅画作已经有几个世纪的历史了。但是，这种变暗的原因至少可以追溯到1200年前，一直是个谜。现在，科学家们利用对中世纪西班牙壁画中颜料的X射线分析来研究退化，并提出了一个以前没有考虑过的新解释。
颜色是由从物体反射的光的波长决定的。当光线照射到表面时，某些波长会被材料的电子吸收，这些电子利用能量的提升跳到更高的能级。不同的化学物质可以吸收不同波长的光，而它们无法吸收的波长会反射回来，被观察者看到为特定的颜色。这个过程由于激发电子和它们跳跃后留下的空能级之间的相互作用而变得复杂。
布鲁塞尔自由大学的法比亚娜·达·皮耶夫说：“这项工作中最大的挑战之一是正确描述这些相互作用所造成的影响。”达·皮耶夫与意大利国家研究委员会的康纳·霍根以及他们的同事一起，分析了来自巴塞罗那14世纪佩德拉贝斯修道院的壁画样本，这些壁画大量使用了朱砂颜料。研究人员对样本进行了X射线衍射，以确定壁画中不同层的化学成分，并将这些数据与基于量子力学的计算相结合，以预测每种存在的化学物质应产生哪种颜色。
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该分析于11月15日发表在《物理评论快报》上，结果表明，根据量子力学，一些先前提出的变黑的化学途径是错误的。相反，研究人员提出了一条新的朱砂降解途径，该途径将其他各种研究提出的建议联系在一起。
朱砂由一种叫做朱砂的矿物制成，它由硫化汞组成。研究人员表明，当绘画表面被光照射时，潮湿的空气使存在于灰尘中的氯离子（例如，氯化钠或盐）沉积在油漆上，硫化汞可以吸收氯离子，将其转化为另一种名为氯汞矿的矿物。
果然，X射线分析显示，壁画上以多种形式存在氯汞矿。这种矿物不稳定，可以直接产生金属汞（颜色为黑色），以及一种名为氯化汞的矿物，后者最终也可能产生金属汞。
虽然科学家们在他们检查的绘画层中检测到了氯化汞，但他们未能发现金属汞，因为这种物质在室温下是液体，而衍射只能检测固体，所以金属汞对于X射线衍射是不可见的。
尽管如此，研究人员认为，金属汞是朱砂变黑的最可能罪魁祸首，并且他们是第一个为产生该化合物而制定出这些精确化学途径的人。伦敦国家美术馆的文物保护员玛丽卡·斯普林也研究过朱砂的变黑，她说：“对于产生的这种黑色产物是什么，这是一个很有说服力的论点，它肯定会推动我们对正在发生的事情的确切理解。”
先前的研究表明，硫化汞中带电的汞原子可能直接转化为中性的金属汞原子，但新的分析表明，照射绘画的光线无法为这种转化提供必要的能量，从而驳斥了作为变黑解释的潜在途径。然而，要确定达·皮耶夫及其同事的解释是否正确还为时过早，伦敦大英博物馆的文物保护和科学研究主管大卫·桑德斯说。首先，需要有金属汞存在于朱砂绘画表面的直接证据。
了解朱砂如何变黑应该有助于文物保护人员减少未来对老旧绘画的损害。“了解颜色可能发生的变化，可以让我们想象作品曾经的样子，并据此进行解释，避免对颜色产生错误的解释，这些解释并非来自最初的意图，而是来自时间造成的改变，”桑德斯说。我们可能永远无法确切知道古老的杰作在画家眼中是什么样子，但科学正使我们比以往任何时候都更接近看到它们本来的样子。