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古物中尋找科學靈感

一百多年前,在西方,科技開始應用在文物保護領域,只不過,當科技碰上文物時,究竟能迸出什麼樣的火花呢?
 
 
 
幽默大師林語堂的文學造詣很高,但他的研究發明卻鮮為人知。一九四七年,林先生以其發明的「上下形檢字法」設計鍵盤字碼,並以十二萬美元製造了一個樣品,取名「明快打字機」,可惜當時中國正逢內亂,廠商不願意生產。之後,打字機鍵盤被授權使用在國際商業機器(IBM)公司的中譯英機器,以及Itek公司的電子翻譯機上。林先生過世後,神通電腦參考「上下形檢字法」研發「簡易輸入法」,儘管普及率不如理想,但警政、戶政、財稅等單位都採用,使得這套中文輸入法轟動一時。

如今,全世界唯一的一臺明快打字機已成為「林語堂故居」的收藏物。這件文物,曾激發軟體工程師的創作靈感,那麼,是不是還有其他古文物,亦能激發科學家的靈感呢?

饒富趣味的古科技

說來有趣,古代人和現代人一樣–只要是科技上的進步,都會第一個反映在軍事武器上。中國人早在三千多年前開始鑄造和使用青銅器,而歷史上第一個統一中國的秦始皇王朝,其科技工藝的進步,可從秦朝軍隊使用的青銅兵器中窺見一二。

在秦始皇兵馬俑出土的上萬件兵器中,有二十幾把全長81~94.8公分的青銅劍。經分析發現,劍身以銅73~76%、錫18~21%、鉛0.17~2.18%的比率,搭配一些無意中摻入的微量稀有金屬冶煉而成,這與《考工記》中對刀劍製造的銅錫配比要求「參分其金而錫居一」相近。而劍身硬度HRB 106 度(Rockwell B 106),相當於中碳鋼熱處理後的硬度,確實符合堅硬銳利的戰鬥需求。

然而令人訝異的是,這些劍在地下埋藏二千多年,出土時居然沒有銅銹,有的甚至光亮如新。中國有色金屬研究院與地質科學院人員以電子探針及鐳射分析後認為,沒有銅銹的原因,應與劍身表面一層灰色、厚度10~15微米的鉻鹽化合物有關。

近代人在預防金屬生銹的研究上,曾花費很長一段時間。直到一九三七年,德國人發現「用鉻酸鹽或重鉻酸鹽處理金屬表面可生成一層防銹氧化物薄膜」而獲得專利;一九五○年,美國人以電化學鍍鉻技術獲得專利後,我們才逐漸脫離金屬銹的困擾。但是,生活在西元前兩百多年前的秦工匠,雖對鉻酸鹽的原理作用沒有概念,卻能憑著經驗做出鉻酸鹽,確實令人佩服。

此外,秦兵使用的遠射兵器–銅鏃,也很有意思。遠射兵器包括弓、弩和箭鏃。「弓」以人力拉射,搭上箭就是弓箭;「弩」用機械力量拉射,有如現代槍械的板機一樣,可讓子彈射得更遠;「箭鏃」是與弓、弩搭配的兵器。

秦坑出土的箭鏃有四萬多支,除幾支鐵鏃外,絕大多數是銅鏃。銅鏃由銅錫合金鑄造,分首、鋌兩部分,因需搭配弓、弩使用而有大小不同的尺寸。鏃鋌呈圓柱形,長短不一;鏃首為等邊三稜錐形,每邊邊長誤差在0.3~0.6公釐之間,研究人員將鏃首放大觀察,竟然發現,鏃首主面輪廓的正投影,和現代步槍的子彈彈頭輪廓相合!

更有意思的是,秦俑考古隊在清理一號坑時,發現一把青銅劍被陶俑壓彎,當眾人將一百五十多公斤的陶俑移開時,劍身瞬間反彈,恢復平直。這種超彈性行為,除顯示秦人冶金配比的高水準外,亦引起人們懷疑,秦人的冶金工藝與現代的「形狀記憶合金」(shape memory alloys, SMA)會不會有什麼關聯呢?經學者們研究後認為,兩者之間應無關聯,只是,青銅劍的超彈性行為和恢復原狀的表現,確實是形狀記憶合金的特色。

形狀記憶合金是現代科技的熱門產物,可由不同成分的金屬原料製造而成。這類合金具有順序化的晶體結構、記憶原來形狀的能力和一個「變態溫度」。將它放在低於變態溫度的環境下,可比一般金屬有更多的延長或變形;一旦受熱,且溫度上升到變態溫度以上時,即恢復原狀。目前除科技的研究應用外,市面上的生活用品,如記憶胸罩、眼鏡鏡架的生產設計等,也開始應用這類合金。

紫色謎團 至今未解

另一個焦點話題落在紫色顏料上。一直以來,人類要從大自然中取得紫色顏料非常不容易。古希臘、羅馬人染色或繪畫時,以茜草素製造紫色,可惜顏色偏紅;古義大利、印度和波斯人,以混合紅藍的調和色取得紫色。直到二十世紀五十年代後,人類才開始使用化學方法合成紫色。但是,二十世紀八十年代科學家在研究超導材料時,卻偶然間獲得一個副產品–矽酸銅鋇(BaCuSi2O6)並稱它為「漢紫」,這種物質在自然界中尚未被發現,即使透過現代人工技術,也很難取得。

頗玄妙的是,在大陸參與研究彩繪秦俑保護工作的德國巴伐利亞文物保護局專家,在一九九七年來臺參加文物保存維護研討會時,曾提到藍色(Han Blue,漢藍,BaCuSi4O)與紫色(Han Purple,漢紫,BaCuSi2O6)是敦煌石窟壁畫、彩塑以及秦俑身上已經普遍使用的東西。

聽到這訊息的科學家非常驚訝,心中充滿疑惑,可能嗎?古人是如何做到的,當中又有哪些過程呢?古代交通資訊不發達,所用顏料應是就地取材,而且兩地相隔遙遠,這些顏料較無機會互通有無,更何況,矽酸銅鋇的人工合成技術幾乎不存在,是不是另有其他原因呢?可能是自然因素形成的嗎?

再回頭想想,這些古文物是由多種不同物質混雜組成,矽酸銅鋇僅只附著在文物外層而已,或許,這些特殊物質不是人工塗上去的,而是文物中所含物質,經長時間和空氣混雜後,發生化學變化形成的。至於在什麼情況下、需要多久時間才能形成,尚待專家進一步研究。

蟲蟲危機  全力以赴

顏料與兵器之外,古人也曾發明許多收藏和保存古籍、繪畫的方法。自從東漢蔡倫將造紙技術改良提升後,紙張逐漸被大量使用,但是,紙張怕蟲,預防蟲蛀成為古人生活上的大事。

一九○○年(清光緒二十六年)道士王圓籙偶然發現,敦煌莫高窟內有一個封閉超過七百年的藏經洞,洞內保存著東晉初期到北宋中期的五萬多卷古文書、數百件幡絹繪畫,和少量法器雜物。消息傳開後,全球掀起一股研究風潮,更興起一門新學問──敦煌學。然而令人雀躍的是,雖然年代久遠,洞裡的佛教經卷竟能保存完整,未遭蟲蛀。原來,這些佛經是用黃蘗汁浸漬過的黃紙寫成的。

黃蘗又名黃柏,屬芸香科落葉喬木,樹皮含有小蘗鹼及少量生物鹼和一些無氮素結晶物質。黃蘗汁是古人的染料也是殺蟲劑。黃紙的使用,開始於東漢末期,到魏晉南北朝時已很普遍,而南宋趙希鵠《洞天清錄集》中亦提到黃紙可以避蠹的事。

科技除蟲 物理法優先

在古代,抗潮與防蟲同樣重要。每年四月至六月,古人會將書畫拿出來透氣,六月即封口收藏,或將書畫裝裱起來以杜絕潮氣、熱度、塵埃、陽光和有害物質。現代人拜光電科技之賜,已有能力製造恆溫、恆濕、低亮度的保存空間。至於適合保存有機文物的環境,目前全球公認的標準是:室內溫度攝氏20~22度,相對溼度55~60%(上下誤差3%),無紫外線,光線照度在50流明(lux)以下。不過,這些只是大原則,遇到特殊材質時,仍需配合文物特性做適當調整。

而現代人處理蟲蟲危機時常將古法暫擱一旁,通常先以物理法進行,萬一不行,才用薰蒸法或化學法。目前較受推崇的方法是冷凍法:將物品用塑膠袋密封,送入攝氏零下30度冷凍庫,一星期後取出。倘若用冰箱冷凍,由於最低溫只到攝氏零下10度,故處理時間必須延長二到三星期。無論如何,取出的物品必須回溫後才能開封,否則表面會發霉,情況更糟糕。又因為顏料遇低溫會脆化,所以,只有書籍、檔案、木竹類物品可用此法,油畫、壓克力彩、蠟質成分較多的物品不可採用。

另一種氮氣除蟲法也是眾多方法之一。將物品放入特殊不透氣的塑膠袋內,置入脫氧劑,密封,等待,當袋內氧氣濃度逐漸降至0.3%以下,藏在裡面的昆蟲會因缺氧而打開氣孔,最後脫水死亡。此法所需材料成本較高,只有處理珍貴且體積小的物品時才使用。

科技與文物邂逅  耐人尋味

縱使大家很用心地保護文物,但仍免不了遇到困頓不前的障礙,這時,大夥兒心中有數,若能獲得更多科技支援,結果絕對更好。只是,如何觸動科學家的心靈,吸引他們前來共襄盛舉呢?

一八八八年,德國柏林州立博物館成立保存科學實驗室,成為全球第一間聘請科技人才進駐的博物館。一九二○年,英國大英博物館成立科學研究室,再八年,美國哈佛大學以藝術面的科學研究為由,在她最古老的一間藝術博物館內(The Fogg Art Museum)成立文物保存研究中心。如今,科技與文物保護領域結合,在西方社會已視為理所當然的事。

正因如此,耐人尋味的訊息就這麼迸出來啦!一九八五年加拿大文物保護中心利用X射線繞射儀分析一件被認為是梵谷真跡的油畫時,突然發現,作品上的白色顏料含有大量金紅石。製造白色顏料的二氧化鈦有金紅石、銳鈦礦、板鈦礦等三種結晶構造。由於人類在一九三八年以後才開始大量採用金紅石製造白色顏料,這個時間與梵谷的生存時間(1853-1890)不符。由此可證,科技資訊對文物保護助益良多。

另一個有趣例子發生在大陸的國家博物館(事情發生時稱為中國歷史博物館)。當時一件被認為是漢代青銅俑人的古器物,已通過專家認可,正打算以百萬元價格收購,然而經過成分檢測後,事情卻出現變化,因為,此器物被發現是用黃銅鑄造的。

能讓專家看走眼的器物,顯然在外形上模仿得唯妙唯肖,幸好因其採用的材質不夠考究而露出馬腳。館方人員推測,仿製工匠有可能以當時較普遍的黃銅為材料打造,致使生產出來的器物含有鋅的成分。

若要進一步了解,不妨翻一翻中國冶金史。因為,青銅器盛行於商周,到兩漢時已經式微。在冶金史上顯示,元代工匠曾以菱鋅礦(ZnCO3,爐甘石)、赤銅、木炭混合密封燒煉成鋅黃銅,再拿它來當材料製造器物,這個時間,比青銅器晚了一千多年,所以,青銅器中不應該有鋅。

尖端科技大有可為

當科技碰上文物時,周圍的氣氛立刻變得溫柔起來。因為,文物是獨一無二的,不能輕易破壞,不能任意拆解,這和傳統實驗室裡的作為大為不同。尤其在進行文物保護工作時,更須堅守「每一次的處理,不會對下一次的再處理造成妨礙」原則,這使得科技的應用需要多一層考慮。

話說回來,文物保護領域需要的科技,並非檢測分析而已。例如,博物館人員正引頸企盼,希望科學家能應用奈米材料特有的表面效應,研發一種噴灑在繪畫表面的物質,最好可以中和畫面酸度,形成保護膜來延長文物壽命,而且,仍能堅守文物保護原則。此想法若能研發成功,相信全球的博物館與收藏家都有興趣。顯然,尖端科技在文物保護領域的發展空間,大有可為!

附錄

鎏金、金銀錯裝飾工藝以表現華麗風格為主,最早出現在春秋戰國時期。所謂「鎏金」是將金、銀箔碎片放入鉗鍋加熱,以1:7比例加入水銀,將其熔成液體(即金泥),以液體蘸鹽、礬等塗於器物表面,再用火烤,待水銀蒸發後即固著器面。「金銀錯」是在器面嵌入金、銀片或絲,待形成所需圖案後再用錯石磨平。錯石為細砂岩可以攻玉者,金銀錯平後與器面合成一體,光燦亮麗。
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