Kwaśny papier, światło, mikroustroje, czyli to co zabija… kulturę

12 kwasny papier

Pracują tam gdzie spotykają się najnowsze osiągnięcia naukowe i najcenniejsze dobra kultury. Dotychczas zabezpieczyli rzeźby solne przed wilgocią w Kopalni Soli Wieliczka, opracowali metod ratowania kurdybanów na Zamku Wawelskim, wykonali diagnostykę podobrazia „Damy z łasiczką” Leonarda da Vinci i odtworzyli receptury cementu romańskiego. Naukowcy z Krakowskiego Konsorcjum Naukowego im. Mariana Smoluchowskiego „Materia – Energia – Przyszłość” dokładają wysiłku, żeby ważne i cenne dobra kultury nie przeminęły.

Nauka w służbie kultury, nie jest tematem nowym. Jednak wśród działań naukowców wciąż pojawiają się kolejne osiągnięcia, wynikające z aktualnych wymagań i zmiennego zapotrzebowania – głównymi zagrożeniami dla materialnego dziedzictwa kultury jest czas. To właśnie z nim odbywa się najostrzejsza walka na naukowym i technologicznym froncie.

Krakowskie Konsorcjum Naukowe im. Mariana Smoluchowskiego „Materia – Energia – Przyszłość” tworzą najlepsze, krakowskie ośrodki badawcze, wśród nich znajdują się: Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo – Hutniczej im. Stanisława Staszica, Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka. Niewodniczańskiego PAN w Krakowie, Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera PAN w Krakowie, Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Na swojego imiennika konsorcjum wybrało Mariana Smoluchowskiego, wybitnego polskiego fizyka, klasyka fizyki statycznej, który prowadził badania nad wyjaśnieniem ruchów Browna.

Konsorcjum działa jednak na wielu polach, nie tylko nauk fizycznych. Zakres badań łączy w sobie kilka dyscyplin, w tym z fizykę i chemię medyczną, fizykę jądrową i energetykę jądrową, zaawansowane materiały z katalizą i nanotechnologią, fotonikę, spektroskopię i informatyką kwantową.

Chemia konserwatorska

Wszystkie pola badawcze są ważne, jednak jak się okazuje, dla ratowania dóbr kultury kluczowe zasługi ma chemia konserwatorska. Polską, młodą gwiazdą tej dziedziny jest Monika Koperska, doktorantka na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Monika jest zwyciężczynią polskiego konkursu FameLab, w międzynarodowej edycji tego konkursu zdobyła drugie miejsce i nagrodę publiczności. Na Uniwersytecie Jagiellońskim swoją pasję realizuje w Zespole Kinetyki Reakcji Heterogenicznych przy Wydziale Chemii.

Chemia konserwatorska dba o zachowanie najcenniejszych skarbów dziedzictwa kulturowego, zaprzęgając do tego najnowsze osiągniecia naukowe i technologiczne.

Naukowcy z Zespołu Kinetyki Reakcji Heterogenicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego w spectrum swoich zainteresowań mają m.in. metodykę badań kinetycznych nad degradacją celulozy i papieru, badania trwałości obiektów zabytkowych na podłożu papierowym w zanieczyszczonym środowisku, czy fotostabilność pigmentów. W ramach swoich badań współpracują z innymi jednostkami naukowymi, angażując się także w badania kolegów np. z Wydziału Fizyki, czy Biologii.

Naukowcy nie działają w próżni lecz ściśle współpracują z muzeami, bibliotekami, zbiorami wartościowych dzieł kultury. Dzięki temu mogą reagować na najbardziej palące problemy. W Krakowie najwięcej badań prowadzonych jest wraz z Biblioteką Jagiellońska, Muzeum Narodowym oraz Akademią Sztuk Pięknych.

Jedwabna nauka

12cDoktorat Moniki Koperskiej poświęcony jest zatrzymaniu procesów samoistnego niszczenia jedwabiu na przykładzie XVI i XVII wiecznych chorągwi wawelskich.

Chorągwie przechowywane na Wawelu wykonane są z jedwabiu, który pomimo, że należy do materiałów trwałych, nie jest niezniszczalny. Tkaninę powoli uszkadza światło, mikroorganizmy, podwyższona temperatura, zanieczyszczenie powietrza oraz wilgoć powietrza.

Dodajmy, że 13 spośród przechowywanych na Wawelu chorągwi to unikaty na skalę światową. Naukowcy z Zespołu Kinetyki Reakcji Heterogenicznych w Pracowni Badań nad Trwałością i Degradacją Papieru Wydziału Chemii UJ badają cztery chorągwie: nadworną, która powstała w 1553 roku na ślub i koronację Zygmunta Augusta i Katarzyny Austriaczki, XVII-wieczną chorągiew turecką, zdobytą pod Wiedniem przez Marcina Zamoyskiego, nagrobną Stanisława Barziego, chorągiew wojsk śląskich arcyksięcia Maksymiliana, zdobytą w 1588 roku w bitwie pod Byczyną przez Jana Zamoyskiego.

Praca nad chorągwiami odbywa się przede wszystkim w laboratorium, gdzie najpierw prowadzone są testy przyspieszonego starzenia na próbkach modelowych, w tym na czystej fibroinie i na barwnikach. Upływający czas „przyspiesza” się odpowiednią temperaturą i światłem. Następnie analizuje się zapach, wygląd i długość włókien w różnych zakresach światła. Dopiero po gruntownych badaniach na modelowych próbkach naukowcy przechodzą do działań na samych chorągwiach.

Nie tylko chorągwie potrzebują wsparcia. Badania naukowców mogą ocalić przed degradacją inne zabytkowe obiekty, w których zastosowano jedwab, w tym stroje liturgiczne, meble, czy arrasy.

Kwaśny papier

Monika Koperska podbiła jednak serca jurorów i widzów konkursu FameLab zupełnie innym zagadnieniem. W swojej prezentacji mówiła:

– Gdybyśmy chcieli zapisać idee, tak na wieki, to na czym ją zapisać? Na kamieniu? Za mała pojemność informacji. Na pergaminie? Zbyt kosztowny i mało humanitarny. Na taśmie magnetycznej? Rozpadnie się po 50. latach. Na CD? Zaczniemy tracić informacje po pięciu. Na USB? Moje ostatnie spaliło się po roku. Jako cywilizacja mieliśmy bardzo dużo pomysłów, jak na przykład wielka przestarzała dyskietka albo banki szpulowych danych, które przechowywały informacje z sond marsjańskich. (…) Rozważmy więc papier, czyli bardzo długi polimer celulozy. Czyli polimer z powtarzających się fragmentów, każdy fragment zbudowany z atomów węgla, wodoru i tlenu. Każdy to pierścień, wygięty w bardzo stabilnej konformacji, w konformacji krzesełkowej, w której papier może wypoczywać. Papier jest trwały. (…) Książki wyprodukowane dziś, na dobrej jakości papierze, ile są w stanie przetrwać? 200, 300, a nawet 400 lat.

Czas przemija, ale my, jako cywilizacja jeszcze nie teraz, jeszcze nie jesteśmy w stanie pozwolić sobie na to, żeby papier przeminął.

Jak podkreśliła Monika Koperska, poza trwałością, przewagą papieru nad innymi nośnikami jest także to, że tylko z papieru możemy odczytać dane za pomocą najpopularniejszych na świecie narzędzi, czyli oka, mózgu oraz dłoni. Wszystkie inne wymagają od nas jakiejś maszynerii.

Problemem jest jednak to, że źle przechowywany papier także podlega procesom degradacji. Co więcej, w połowie XIX wieku zaczęto stosować technologię formowania papieru w środowisku kwaśnym. W papierze wyprodukowanym taką metodą postępuje kwasowa degradacja łańcuchów celulozy, co w krótkim czasie prowadzi do pogorszenia własności mechanicznych i rozpadu kart książek, dokumentów, czy map.

Technologia ta była stosowana aż przez 150 lat i pozostały po niej olbrzymie zbiory kwaśnego papieru w archiwach i bibliotekach. Naukowcy zmobilizowali swoje siły by śpieszyć im na ratunek. Został powołany Program Rządowy Kwaśny Papier, realizowany w latach 2000-2008. W jego ramach powstała  Klinika Papieru Biblioteki Jagiellońskiej, która jest pierwszą uruchomioną w Polsce halą technologiczną z instalacjami do masowego odkwaszania papieru druków i rękopisów.

Program został zakończony jednak w jego efekcie powstały nowe projekty realizowane przez Pracownię Badań Trwałości i Degradacji Papieru na Uniwersytecie Jagiellońskim.

12e

W walce ze światłem

Kierownikiem Pracowni jest dr Tomasz Łojewski, którego zakres badań nad papierem daleko wykracza poza samo zagadnienie „kwaśnego papieru”.

Wśród wielu projektów nad którym pracowali dotychczas naukowcy, znajduje się m.in. ten dotyczący opracowania metody bezpiecznej ekspozycji dzieł w ramach beztlenowych. Prace prowadzone były wraz z krakowskim oddziałem Muzeum Narodowego.

Jednym z ważniejszych czynników powodujących niszczenie dzieł wystawianych w ekspozycjach muzealnych jest światło. Przy czym, chcąc pokazywać dzieła sztuki, nie można wykluczyć tego czynnika, można go jedynie ograniczyć.

Reakcje odpowiedzialne za utlenianie barwników, zachodzące pod wpływem światła, potrzebują do tego tlenu. Eliminując tlen, spowalniamy degradację barwników i dzięki temu można je bezpiecznie eksponować.

– Nasz pomysł dotyczył hermetycznych ram dla obrazów, wypełnionych azotem bądź innym gazem, a pozbawionych tlenu – mówi dr Łojewski. – Światło dostarcza energii do zajścia reakcji chemicznych, a gdy pozbędziemy się tlenu, czyli kluczowego reagenta, który jest odpowiedzialny za zmiany barwników, to światło przestanie degradować owe barwniki. Dzięki temu będzie można zmniejszyć reżimy dawek światła, które są narzucone na dzieła sztuki. Będzie je można wystawiać w lepszym świetle i na dłużej – podkreśla.

12gNaukowcy prowadzili swoje badania na kolekcji pasteli autorstwa Witkacego. Na wstępie zostały wykonane pomiary barwy awersu i rewersu prac. Okazało się, że barwa kartonów barwnych, na których Witkacy rysował swoje pastele, w wielu przypadkach się zmieniła i na odwrocie mamy zupełnie inny ton. To zaś potwierdziło, że rzeczywiście zachodzi degradacja barwników przez światło.

Badacze zlecili wykonanie kopii jednej z prac na barwnym kartonie, po czym poddali ją starzeniu w warunkach beztlenowych oraz w standardowych warunkach z dostępem powietrza.

– Różnice między dwoma przykładami, jednym szybko postarzonym światłem w atmosferze beztlenowej, drugim w normalnej atmosferze z dostępem do tlenu, były znaczące. Na tym etapie został wykonany prototyp ramy, póki co wstępne zainteresowanie nią wykazały zbiory tkanin na Wawelu – mówi naukowiec.

Istotnym efektem tego projektu było powstanie konstrukcji urządzenia, które pozwala starzeć światłem w mikroskali. Wystarcza punkt o średnicy trzech dziesiątych milimetra. Próbka jest więc tak mała, że nie jest widoczna gołym okiem, zwłaszcza na materiałach porowatych, takich jak karton, czy tkanina.

Nowe urządzanie może się bardzo praktycznie przełożyć na sprawne działanie muzeów i galerii.

– Nasze urządzenie otwiera drogę do analizy światłotrwałości oryginałów. Gdy muzeum zastanawia się nad wypożyczeniem jakiegoś obiektu, czy nawet ekspozycją u siebie na ścianach galerii, najpierw może poddać dane dzieło badaniom nad tym, jaka dawka światła przyniesie pierwsze zmiany barwy. I do tego dopasować politykę wypożyczeni czy własnych ekspozycji – tłumaczy dr Łojewski.

Naukowcy wykonali szereg pomiarów dzieł nie tylko Witkacego, ale również badali światłotrwałość manuskryptów Mozarta, Chopina, Mendelsona, znajdujących się w Bibliotece Jagiellońskiej.

Jak podkreśla dr Łojewski, sam pomysł metody nie jest nowy, jednak nigdzie na rynku nie ma urządzenia, które mogłoby służyć instytucjom kultury. Obecnie prowadzone są prace nad udoskonaleniem konstrukcji  urządzenia, tak żeby jego obsługa nie wymagała kompetencji naukowca. Trzeba także pomyśleć nad nazwą, bo roboczo, z angielskiego urządzenie nazywa się mało wdzięcznie, czyli mikroblaknościomierz (ang. microfadeometer), czy inaczej – urządzanie do starzenia światłem w mikroskali.

Zaletą mikroblaknościomierza jest także to, że może być wykorzystywane w przypadku większości cennych obiektów, nie tylko dzieł sztuki, ale także na przykład dowodów sądowych, które nie powinny ulec zniszczeniu podczas badania. Do tego wyniki otrzymuje się już po kilkudziesięciu minutach, a w przypadku aktualnie stosowanych urządzeń, trzeba na nie czekać nawet kilka tygodni.

Srebrny papier

Kolejnym projektem, nad którym pracuje zespół to degradacja mikrobiologiczna papieru, czyli zniszczenia powodowane przez mikroustroje, w tym grzyby celulolityczne. Grzyby te mogą rozwijać się w papierze, dzięki temu, że dostarcza im on węgla. Ich działalność może doprowadzić nawet do całkowitego zniszczenia papieru.

Projekt skupia się na opracowaniu sposobu produkcji, czy też składu papieru o własnościach biostatycznych, czyli takiego, na którym mikroorganizmy nie będą chciały bytować. W tym celu naukowcy chcą wykorzystać, popularne także w innych dziedzinach, nanocząstki srebra.

12a– Papier nie składa się z samych włókien celulozy, są w nim także wypełniacze mineralne. To może być na przykład węglan wapnia, który poprawia własności użytkowe i potania jego produkcję. Tym wypełniaczem mineralnym mogą być też zeolity, grupa minerałów, które mają świetne właściwości sorpcyjne. Znamy je z życia codziennego, takim sorbentem jest na przykład żwirek dla kota. Pochłaniają zapachy, których chcemy uniknąć, są też tanie – wyjaśnia dr Łojewski. – Taki sorbent mógłby także pochłaniać związki lotne w przypadku papieru, które również mogą powodować jego degradację. Nasz pomysł wykorzystania zeolitu nie ogranicza się jednak tylko do tego. Zeolity mają w swojej strukturze wiele kanałów, do których stosunkowo łatwo można wprowadzić różne związki chemiczne. I my w naszym projekcie właśnie wykorzystujemy zeolity jako nośnik nanocząstek srebra. Umieszczamy w kanałach srebro, następnie redukujemy je do srebra metalicznego, w postaci biobójczych nanocząstek.

Uniwersytet Jagielloński współpracuje w przypadku tego projektu z Katedrą Mikrobiologii na Uniwersytecie Ekonomicznym w Krakowie.

Wstępne badania już wykazały, że papier z nanocząstkami srebra jest odporny na porastanie przez trzy, wybrane przez naukowców szczepy bakterii i trzy szczepy grzybów.

Odkrycia te mogą mieć także wszechstronne zastosowanie. Papier z nanocząstkami srebra może służyć do produkcji teczek, kopert czy kartonów, w których przechowywane są cenne dokumenty. Przykładowo pudło z niego wykonane powstrzyma rozwój grzybów wewnątrz, nawet jeśli w otoczeniu wzrośnie wilgotność. To są póki co hipotezy, na ich potwierdzenie musimy jeszcze poczekać.

admin

Komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *