科学如何拯救凡高即将褪色的花朵

本文原载于2021年6月的《Discover》杂志，标题为《褪色的向日葵与尖叫》。订阅，阅读更多此类故事。

如果不是因为神秘的西伯利亚铅矿或受污染的药剂瓶，文森特·梵高的《向日葵》可能就不会存在，埃德瓦尔·蒙克的《尖叫》中的人物也会显得相当平静。

19世纪之交，两种新元素——铬和镉——的发现催生了大量新的黄色颜料。但画家们在对鲜艳的色彩感到兴奋的同时，并没有意识到这些颜色可能不会持久。

近年来，文物保护科学家利用无损成像和粒子加速器产生的高能 X 射线，来了解这些美丽的黄色颜料为何会变成深褐色和苍白的白色。他们的发现正在改进博物馆储存和展示这些精致艺术品的方式，在鲜亮的黄色消失之前将其保存下来。

绘画的新元素

18世纪末，法国化学家 Louis Nicolas Vauquelin 正在研究一块来自西伯利亚的红色铅矿石。他和他的同事们无法确定其化学成分。它是砷和硫的混合物，还是铅、铁和粘土？为了弄清真相，Vauquelin 进行了一系列实验，测试了这种神秘物质在不同条件下的反应：将从铅中提取的酸在炭炉中加热，用盐酸煮沸，甚至将其置于阳光下。

用碳酸钾溶液煮沸矿石后，Vauquelin 发现一种黄色的固体化合物在酸中形成。该固体为碳酸铅——证实了红铅矿石确实含有铅。但那黄色的液体呢？在他所有的测试中，该矿石的性质与任何已知元素都不匹配。因此，Vauquelin 推断，这种黄色溶液一定含有一种全新的元素。

当他将这种黄色液体与其他元素混合时，每种元素都会产生不同的鲜艳色彩。因此，Vauquelin 根据希腊语“chrōma”（意为“颜色”）为这种新元素命名为“铬”。不出所料，这种色彩鲜艳的新元素催生了大量新型黄色颜料。

芝加哥艺术学院副总裁兼文物保护与科学执行主任 Francesca Casadio 表示：“不同色调的铬酸钡、铬酸锶、铬酸锌钾和各种铬酸铅，为艺术家提供了多种选择。”

为了将这些化合物制成可用的颜料，颜料制造商将其研磨成微米颗粒，然后与粘合剂混合，使其易于涂抹；在18、19世纪，这种粘合剂通常是亚麻籽油等油类。由铬酸铅制成的铬黄颜料，尤其受到印象派和后印象派画家如 Pierre-Auguste Renoir 和 Camille Pissarro 的喜爱。梵高也用它来描绘他《向日葵》系列中的花朵。

与此同时，在1817年秋季，当画家们开始在画布上使用铬黄颜料时，德国小镇希尔德斯海姆的药剂师们意识到他们遇到了麻烦。当他们测试碳酸锌的纯度时，它并没有像预期的那样形成白色粉末，而是变成了鲜艳的黄色。

该小镇的当地药剂师检查员、化学家 Friedrich Stromeyer 发现，这种污染物并非锌矿石的常见杂质，而是一种全新的元素——镉。Stromeyer 注意到了它鲜艳的黄色，并指出它“有望用于绘画”。到1840年代，由硫化镉制成的镉黄颜料已经进入了艺术家的手中。

尽管镉黄颜料越来越受欢迎，但铬黄颜料并未达到艺术家的期望。原本鲜艳的黄色，在光照下很快就会变成深褐色、斑驳的颜色。

克劳德·莫奈曾指出，他一些画作中的铬黄颜料“已经大大褪色”。而雷诺阿则抱怨说，他“曾使用铬黄，这是一种极好的颜色，但它似乎会耍一些恶作剧。”

镉黄颜料似乎是解决这个问题的完美方案。它色彩鲜艳、明亮，并被颜料制造商誉为一种“可以绝对确信地使用的颜色”。

然而，在许多艺术家乐于改用镉黄颜料的几十年后，英国画家 William Holman Hunt 表达了一些疑虑：“即使是最好的镉颜料也很善变，”他于1906年写道。“在1860年画的一块试验画布上的一些样本，到了1880年已经变成了脏蜂蜡的颜色。”

大约100年后，他的担忧被证明是正确的。

光照的作用

为了了解这些颜料的变化，科学家们用光对其进行探测。“通过使用不同种类的光，可以获得与颜料的元素和分子成分相关的不同性质的信息，”意大利国家研究委员会的遗产科学家 Letizia Monico 说。例如，为了确定一个黄色的笔触是铬黄还是镉黄，科学家们使用一种称为 X 射线荧光的技术，用高能 X 射线照射它。X 射线会激发构成颜料的元素中的电子，使其跃迁到更高的能级。由于停留在这些能级上是不稳定的，电子会回落并以光的形式释放能量。释放出的光对每种元素都是特有的，因此通过观察它，科学家们可以确定是否存在镉或铬元素。

但是，仅仅确定某种元素是否存在，并不能告诉科学家颜料是否已经降解。为此，科学家们使用 X 射线，通过一种称为 X 射线吸收近边结构光谱（XANES）的技术，一次确定一种元素的化学状态。

法国格勒诺布尔欧洲同步辐射设施（ESRF）的束线科学家 Marine Cotte 说：“通常，元素的组成本身是稳定的。然而，如果你能获得关于这种特定金属化学性质的信息，你就可以对降解有一个大致的了解。”

由于降解的颜料通常只存在于画作的一小部分，科学家需要用狭窄的 X 射线束来聚焦它。为此，科学家们使用同步辐射器产生的 X 射线，同步辐射器是一种环形粒子加速器。参与研究的两个设施，ESRF 和德国汉堡的德意志电子同步加速器（Deutsches Elektronen-Synchrotron），周长分别为 880 英尺和 2,400 英尺；当电子以接近光速的速度在巨大的环形轨道上飞驰时，它们会发出 X 射线，这些 X 射线可以聚焦成一束，以微米甚至纳米的尺度探测颜料颗粒。

2015年，Monico、Cotte 和他们的同事利用这些技术，揭示了梵高《向日葵》系列中铬黄颜料变色的化学原理：光照导致铬酸铅颜料中的六价铬离子还原成三价铬离子，从而在原本是黄色的地方形成了深褐色化合物。

揭示元凶

然而，镉黄颜料褪色的原因尚不清楚。对亨利·马蒂斯的画作《生命之 the》和梵高的《蓝色花瓶里的花》的研究，使科学家们推测，镉黄颜料可能是由于湿度过大而降解成浅白色化合物。

2020年，Monico 及其团队对蒙克的《尖叫》进行了一系列测试，以了解其镉黄颜料褪色的原因。他们用不同能量的光照射《尖叫》的表面，并用同步辐射器发出的 X 射线照射画作上一小片颜料，以评估镉黄颜料当前的降解状态。通过将《尖叫》的当前状态与暴露在光照、高湿度和高温条件下的、经过人工老化的镉黄颜料进行比较，该团队发现了这种鲜艳的黄色颜料褪色的原因。

Monico 说：“不是光，而是湿度，是导致《尖叫》褪色和剥落的主要因素。”

在高湿度条件下，黄色的硫化镉颜料会与环境中的水分反应，变成硫酸镉，这是一种白色物质。

纽约 Fine Art 科学分析公司总裁 Jennifer Mass 参与了早期的马蒂斯和这项蒙克研究，她说：“有些迹象表明湿度可能起到了很大的作用，但我认为直到目前的研究，我们才意识到它确实是降解的主要因素。”

永恒的颜料保护

这项对铬黄和镉黄颜料降解的最新研究结果，正在帮助博物馆改进对珍贵艺术品的储存和展示方式。

例如，梵高的《向日葵》将不再离开阿姆斯特丹。梵高博物馆馆长 Axel Rüger 在2019年1月的声明中解释说，颜料“是稳定的，但对振动以及湿度和温度的变化非常敏感。因此，重要的是画作应尽量少移动，并保存在稳定的气候环境中。”

当挪威奥斯陆的蒙克博物馆不久将在市中心搬迁到新址时，他们计划将《尖叫》展示在一个封闭的展柜中。

蒙克博物馆的文物保护科学家、分析《尖叫》研究的合著者 Irina Sandu 说：“我们必须考虑较低的湿度环境，以确保（降解）得到控制，并且不会随着时间的推移而加剧。”

虽然铬基和镉基颜料已被证明是不稳定的，但没有它们，我们就看不到梵高、蒙克或马蒂斯的大胆作品，这些作品激励了无数后来的艺术家，并将继续激励未来更多艺术家。因此，我们可以庆幸梵高采纳了他自己富有先见之明的建议：“印象派所推崇的所有色彩都是不稳定的，这更应该大胆地使用它们，过于生硬，时间只会使它们过于软化。”

Stephanie DeMarco是一位常驻洛杉矶的科学作家。