Wie kann moderne hochauflösende Lichtmikroskopie bei der Erforschung unseres Kulturerbes helfen? Dr. Olivier Schalm von der Abteilung Conservation Studies der Universität Antwerpen verfolgt eine Reihe von vielversprechenden Ansätzen.

Im Gegensatz zu den meisten Industrieprodukten weisen historische Artefakte ein hohes Maß an Heterogenität auf. Die Analyse ihrer Mikrostruktur liefert Informationen, die dem bloßem Auge verborgen bleiben. Betrachten wir als Beispiel eine Farbschicht, die sich vom Untergrund löst. Die lichtmikroskopische Untersuchung machte klar, dass das Problem durch Lochkorrosion der Trägerplatte aus Zink verursacht wurde. Oder nehmen wir ein Möbelstück aus Eichenholz. Aufgrund seiner Zellstruktur erlaubte das Mikroskop nicht nur die Bestimmung der Eichensorte, sondern lieferte sogar Hinweise auf die geografische Herkunft.

Neben den Anwendungen in der Analyse historischer Artefakte spielt die Lichtmikroskopie auch eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Konservierungsstrategien. Erst ein umfassendes Verständnis des Alterungsprozesses ermöglicht die Entwicklung und Optimierung von Techniken, um den Verfall unter Kontrolle zu bekommen oder sogarden früheren Zustand eines Objekts wiederherzustellen. Diese Art von Restauration ist ein Schwerpunkt der Forschung von Dr. Olivier Schalm im Department of Conservation Studies.

Die Lichtmikroskopie ist eine ergiebige Informationsquelle. Jenseits der Grenzen ihrer Auflösungen setzen die Wissenschaftler oft die Rasterelektronen-Mikroskopie (REM) ein. Mittlerweile erreichen Lichtmikroskope eine wesentlich höhere Auflösungen. Neueste Modelle, wie das DSX500 von Olympus, ermöglichen heute Vergrößerungen bis 4.000x und erlauben eine Darstellung von Proben bis ins kleinste Detail. Noch höhere Vergrößerungen sind in vielen Fällen nicht nötig. Als häufige Alternative zur REM, kann die Lichtmikroskopie Echtfarben darstellen. Die Abteilung von Dr. Schalm ist seit Kurzem mit dem hochauflösenden Mikroskop Olympus DSX500 ausgestattet, dass die Forschungen an kulturellem Erbe erleichtert.

Glaskorrosion in neuem Licht

Glas beginnt seinen Lebenszyklus als homogene und transparente Substanz, doch im Lauf der Zeit treten allmählich Trübungen und Unregelmäßigkeiten auf. Seit den Forschungen von Sir David Brewster im 19. Jahrhundert galten diese Vorgänge für geklärt. Die eingehendere Untersuchung von Artefakten aus Glas weisen jedoch auf eine größere Komplexität des Prozesses hin. Eine historische Glasprobe (zu sehen in Bild 1) mit einer Besonderheit: Mitten durch die Struktur verlaufen Lamellen. Bisher weiß man nichts über deren Entstehung und über die strukturellen Unterschiede zwischen den schwarzen und weißen Ringen, die zu unterschiedlichen Darstellungen in der Hell- bzw. Dunkelfeldbeleuchtung führen. Um dieses Phänomen genauer zu untersuchen, ist es wichtig, einen möglichst großen Bereich der Probe zu begutachten. Die Image-Stitching-Funktion des DSX500 gestattet es, das Glas mit einer über 500-fache Vergrößerung über ein Sehfeld von 1,4 mm2 darzustellen. Darüber hinaus ist die Oberfläche von altem Fensterglas, wie bei den meisten Antiquitäten, nicht vollkommen eben. Durch Erzeugen eines z-Stapels mit der EFI-Funktion (Extended Focal Image) des DSX500 können trotz dieer Unebenheitne gestochen scharfe Aufnahmen historischer Proben erstellt werden, die Aufschluss darüber geben, wie solche Unregelmäßigkeiten entstehen.

Auch die Anwendung unterschiedlicher Beleuchtungstechniken hilft dabei, verschiedene Formen der Glaskorrosion darzustellen, beispielsweise Einschlüsse mit hohem Mangan-Anteil. Das Glas-Artefakt hat solche Einschlüsse in dendritischen Formen etwa im Lauf der letzten 200 Jahre ausgebildet. Im Hellfeld erscheinen die Einschlüsse durch ihren höheren Brechungsindex an der Oberfläche. Die Dunkelfeldbeleuchtung lässt jedoch erkennen, dass die Einschlüsse unter der Oberfläche liegen, ohne dass dafür eine aufwändige tomografische Untersuchung nötig gewesen wäre. Da Mangan in dieser Form nicht mobil ist, wird vermutet, dass zunächst eine wasserlösliche Form in bestimmte Bereiche vordringt, in denen anschließend eine Redox-Reaktion stattfindet.

Die Kindertage der Fotografie: Konservierung von Daguerreotypien

Die Daguerreotypie, 1839 eingeführt, war das erste praxistaugliche fotografische Verfahren. Das Bild entsteht durch die Lichtstreuung, die Silber- und Quecksilber-Nanopartikel auf einer polierten Silberplatte erzeugen. Naturgemäß ist das Bild sehr empfindlich gegen Kratzer oder Anlaufen des Silbers - ein Beispiel ist auf Abbildung 3 zu sehen. Mit zunehmendem Verständnis des Vorgangs der Silberkorrosion wird es möglich, Reinigungsverfahren zu optimieren und diese unersetzlichen fotografischen Platten für die Zukunft zu bewahren.

Ein wichtiger Aspekt bei der Untersuchung von Beschädigungen an Antiquitäten besteht darin, zu wissen, wo sich eine Besonderheit im Kontext des Gesamtwerks befindet. Keine Stelle auf dem Objekt ist wie die andere. Daher ist die Verlinkung mit dem Kontext entscheidend wichtig und sollte auch bei stärkerer Vergrößerung erhalten bleiben. Hierzu bewährt sich das langsame Herantasten an stärkere Vergrößerungen, wie es die Lichtmikroskopie ermöglicht, während gleichzeitig mit bloßem Auge beobachtet werden kann, wo der Lichtstrahl auf das Artefakt auftrifft. Die Navigation erfolgt häufig anhand von auffälligen Merkmalen - hier beispielsweise anhand eines Kratzers nahe des Auges. Vergleicht man die Hellfeld-Darstellung bei 500-facher Vergrößerung mit herkömmlicher Sekundär-Elektronenmikroskopie (SEM), so ist das Auge nur unter dem Lichtmikroskop zu erkennen. Um ein solches Merkmal mittels SEM darzustellen, müsste die Rückstreu-Elektronenmikroskopie (Kontrast basierend auf der Ordnungszahl des Materials) eingesetzt werden - mit deutlich höherem Kostenaufwand.

Zusammenfassung

Die hochauflösende Lichtmikroskopie stellt ein aussagekräftiges Hilfsmittel für wissenschaftliche Untersuchungen des kulturellen Erbes dar. Sie ermöglicht es, Beschädigungen zu beschreiben und die schleichenden und komplexen Veränderungen während des Korrosionsprozesses zu erforschen. Aufgrund einer Reihe von wesentlichen Vorteilen war die Forschergruppe um Dr. Schalm damit in der Lage, ohne großen Aufwand neue Informationen aus einer Reihe historischer Artefakte zu gewinnen.

Die hochauflösende Lichtmikroskopie ermöglicht eine rasche und effiziente Erstanalyse. Sie kann nach Bedarf durch zusätzliche Methoden ergänzt werden, beispielsweise für eine stärkere Vergrößerung oder für Aussagen zur chemischen Zusammensetzung

Sowohl bei Glas- wie bei Metall-Artefakten wurden in einigen Fällen recht überraschende Informationen gewonnen. Sie führten zu weiteren Fragen über die Mechanismen, die den Prozessen zugrunde liegen. Bis zur vollständigen Klärung der Vorgänge bei der Materialkorrosion gibt es noch vieles zu tun. Der Ausblick in die Zukunft zeigt, dass die moderne hochauflösende Lichtmikroskopie dabei eine wichtige Rolle spielen und unser Wissen über die Vergangenheit mit großen Schritten erweitern wird.