文摘
扫描显微技术已成为强大的科学工具,分析材料的建筑或考古的兴趣,商业化以来第一个扫描电镜仪器在60年代早期。本研究的目的是审查和突出的意义几个扫描显微技术在建筑遗产保护就业。扩散的扫描电子显微镜和能量色散x射线能谱分析(SEM-EDX)被证明是最广泛的可用的扫描显微技术,在透射电子显微镜(TEM)应用程序不断出现在建筑遗产保护领域。建筑材料表征,风化作用机制的调查,和兼容的发展和执行保护材料是一些主要的研究领域应用上述技术进行了探讨。技术的范围以及仪器和样品制备,同时,考虑。
1。介绍
1.1。材料科学的文化遗产
一个巨大的各种各样的建筑材料被用于建设性的或艺术自史前:天然石头,地球材料,砖、石灰和石膏迫击炮盛行建筑史上的(1]。从泥建筑在古埃及和古希腊庙宇的大理石柱和梁形式,罗马“具体”阿拉伯语体系结构的基础设施和石膏膏药,接口位于工艺对材料的使用和技术的发展2,3]。硅酸盐水泥的统治架构自20世纪初推断减少天然建筑材料的使用。然而,多边价值的历史建筑从未停止升值。
如今,文化遗产保护的概念包括水泥或现代混凝土结构。并行、可持续和替代趋势架构使得利益使用传统的建筑材料在现代建筑。不良环境的影响,气候变化和人为活动的升级,决定了需要增加的科学知识的行为traditional-historic和当代的建筑材料,以提供解决方案。传统的和新的干预材料和方法需要评估和监控的有效性、可逆性(每当应用),和良好的兼容性。上面的框架内,使用天然和化学分析方法领域的建筑和艺术品保护,以及人文学科,已经建立了必不可少的揭幕的进化人类所使用的材料和技术在地理区域和不同的时间段。历史建筑及其组成材料受到常数研究为了了解他们的行为和属性。也,这种方法已经成为一个必要的前提,以康复计划适当的修复和保护策略的历史和现代建筑。
关于历史材料的特性,采用的分析方法需要取决于要回答的问题和可用的样本数量。每个案例的方法是有区别的;例如,样本来自一个考古遗址的设置时间和起源问题主要需要解决,而当涉及到历史结构的修复,真实的建筑材料的知识是设计兼容保护干预及其耐久性评估。
此外,建筑材料的技术开发的知识如酸橙、混凝土、迫击炮、金属、瓷砖,和眼镜是高人类学和历史的兴趣,因为它揭示了文明和商业的发展在整个世纪,虽然颜料,粘结剂,添加剂中确定迫击炮或绘画允许利用传统和地方技术的深入调查,导致他们的进展的记录。
1.2。概述的技术用于建筑材料领域和文化遗产
虽然许多领域的表征技术已经熟练的建筑材料、新技术和新方法不断涌现。化学分析和原子吸收光谱、原子发射光谱(AAS / AES)、x射线荧光光谱仪、电感耦合等离子体光学发射光谱法(ICP-OES)、气相色谱(GC)、质谱(MS),激光诱导击穿光谱(LIBS)、高效液相色谱法(HPLC),激光诱导荧光(生活),粒子诱导x射线发射(PIXE)、和粒子诱导γ射线发射(PIGE)。然而,他们存在很大的局限性,因为他们无法检测的具体成分和结构材料,他们需要大量的样本或复杂的制备路线,并且耗时。
傅里叶变换红外(FTIR)和拉曼光谱技术提供小尺寸样品的化学特性,而x射线衍射(XRD)分析提供材料的矿物组分在考试,但是他们缺乏提供形态学信息的能力。
每一个上述分析技术可以使用为了解决特殊问题的文化遗产像颜料和绑定的识别媒体4,5),艺术品和文物的分析像历史性的纺织品6)和金属物体(7]。现场仪表的出现,例如,原位XRD、光谱仪、库,和拉曼,也彻底改变了这些技术的应用功效纪念碑,由于采样领域的文化遗产,而限制,最后的质量获得最小的样本是有限的。然而,这些现场表演技术的检测极限低于各自的实验室仪器,而现场设备的几何形状并不总是实用要求应用程序或功能领域的遗产,主要是由于可访问性原因(脚手架、凹或convex-shaped结构等)。表1总结的一些主要分析技术用于建筑遗产和建筑材料科学领域,展示他们利用获得的信息的类型,样品需求,他们的主要限制。
1.3。扫描显微技术领域的文化遗产
建筑材料领域的特性,特别是在建筑领域的遗产,知道在微观层面组成、纹理和结构建筑材料的一场革命。经典的方法在显微镜是光学和偏光显微镜的使用。这些技术相对简单和通用工具的结构检查和岩相学的/矿物组成一系列的建筑材料,这样我们的石头,酸橙,迫击炮、瓦、砖、眼镜、金属和木材。共焦光学显微镜,也成为了深入的形态学工具和提供的可能性样品表面的三维重建8]。
使用扫描显微技术考试的历史建筑材料已经发展为一个成熟的分析工具不久之后第一个商业化仪器扫描电子显微镜(SEM)在60年代早期9]。SEM加上能量色散x射线能谱(EDX)已经成为建筑材料的基本技术考试,因为它允许调查所需的表面微观结构的细节和提供的化学成分检验点或区域。这个空间定义化学和形态信息的样本在检查中对组件提供了有价值的信息,制造技术、降解机制等等。
SEM-EDX分析的主要优点(1)缺乏必要的初步准备,因此无损的治疗价值的标本(2)现代SEM,因此提供的纳米级分辨率的精度水平(3)检查区域的变化(从几十厘米到纳米)通过调整放大(4)提供的定性、定量分析耦合SEM和EDX微量分析
透射电子显微镜(TEM),同时,介绍了文化遗产领域的材料;信息在这种情况下,形态和化学(EDX)相结合的时候,这里的放大级别甚至subnanometre规模。然而,分析区域的体积小(只有几平方微米)不允许广泛的抽样检查,而样本同质性所需的全部潜力TEM分析。
此外,另一个扫描显微镜技术最近的发展,原子力显微镜(AFM)。商业在1989年推出,是一种纳米技术针对的地形测量绝缘的样本,提供2 d和3 d图像。有一些工作发表使用这种技术领域的文化遗产,例如,(10]。然而,这种技术在文化遗产样本有限的应用程序,因为他们的表面纹理和粗糙度是在大多数的检查情况下纳米级以上。然而,这项技术正越来越多地获得地面保护干预措施的评估方法,包括纳米材料应用程序(11- - - - - -14]。在表2的主要优点和局限性SEM, TEM、AFM技术构建领域的文化遗产进行了总结。
1.4。SEM-TEM技术扩散的建筑文化遗产研究领域:一个“数字”评价斯高帕斯和谷歌学者
已经讨论过的,扫描和透射电子显微镜技术已经广泛应用于性能的表征和评价新的保存古迹和传统方法。为了数值评估真的扩散SEM和TEM技术领域的建筑遗产,文献研究进行了两种最常见的搜索数据库:斯高帕斯(https://www.elsevier.com/solutions/scopus)和谷歌学术搜索(https://scholar.google.com)。在此,提出了获得的结果和讨论。
这些平台都来自不同来源的出版物,特别是谷歌学者提供了大量的相关数据资源不仅限于传统的学术研究领域。斯高帕斯,表示最大的文摘和引文数据库的同行评议的文献,数量大约有18500名来自5000多个出版商的同行评议期刊,1800年开放获取期刊,250年会议论文集(总共480万个文档),425年商业出版物,350年出版的系列,Medline(完全覆盖),3.75亿质量网页通过Scirus 17日和2480万年专利注册。如上所述的指南,谷歌学术搜索允许您搜索许多学科和来源:文件批准出版、论文、书籍、摘要和文章的学术出版商、专业订单,数据库的研究尚未发表,大学,和其他学术组织。然而,谷歌学者不允许选择的材料,所以你只得到的信息的数量给定主题相关的出版物。
之间的比较这两个搜索引擎可以给一些有趣的结论特别是如何不同的结果可以从相同的关键字。中使用的关键字搜索是“扫描电子显微镜”和“文化遗产”或“透射电子显微镜法”和“文化遗产。“的时间被认为是在2005年和2018年之间。使用关键字“扫描电子显微镜”和“文化遗产”的研究在200年斯高帕斯的结果文件,其中的20个开放获取。大多数的这些文章在杂志(82.5%)、论文相关会议(13.5%),在小数量的评论(4%)。所有的文件在总数110期刊传播,包括学报》杂志上。其中,《文化遗产的更高的论文数量在SEM应用论文(10),其次是《华尔街日报》的总环境(9篇),应用物理材料科学与处理(8篇),表面和界面分析(7),应用表面科学(6)。最常见的纸(71引用)集中在恶化由于真菌和细菌生长的大理石处理合成树脂(15]。谷歌学者研究的结果有很大的不同,很有趣。使用相同的关键字,我们获得7650从2005年到2018年的记录。
获得的结果进行了分析使用外部工具由Anne-Wil哈尔茨(墨尔本大学),分布式网络上免费的和称为发布或灭亡(流行)(http://www.harzing.com/pop.htm)计算,使用谷歌学术搜索数据,引文索引为个人,杂志,和机构。应用同样的关键字“扫描电子显微镜”和“文化遗产”,弹出选择2005年和2018年之间的780年的出版物。最常见的纸(466引用)是一个考古研究,2010年发表在《自然》杂志关于使用石器工具制造(16]。在其他的文章,一个有趣的工作关于历史研究的迫击炮Elsen(255引用)也报道(17),在列表中不存在通过前面的搜索在斯高帕斯。
另一个重要论文(与133年引文)与艺术家的身份材料,扫描电镜在哪里申请其他原位技术获得的比较分析结果(18]。与前面的情况下,本文在斯高帕斯和其他有趣的论文报告。
TEM研究了应用的传统科学遵循相同的方法,使用“透射电子显微镜法”和“文化遗产”在斯高帕斯和谷歌学术搜索关键字在2005 - 2018年。
在斯高帕斯,21个文件被指出在19杂志上发表,其中27.8%在材料科学的学科领域,18.5%在化学、物理学和天文学的18.5%,11.1%在工程,艺术与人文的5.6%,5.6%在计算机科学。剩下的13%的文档是分散在其他学科领域。大多数这些文档都是文章杂志(71.4%)、论文会议(14.3%)、评论(9.5%),和图书章节(4 5%)。再次至于SEM,最高的期刊的论文数量的TEM是文化遗产的期刊引用的论文(3)和唯一的三篇论文发现SEM应用程序都是一样的结果。最常被引用的一篇论文(69引用)是一个研究nanolime的碳化过程,作为consolidant在文化遗产19]。
在图1,论文的分布与SEM和TEM应用报道,每年的基础上的数据来自斯高帕斯。应用SEM分析领域的文化遗产已经随着时间的增加,似乎已经达到了一个“门槛”,可能由于从“技术研究领域”过渡到“常规技术。“TEM更普遍,可能是由于仪器的成本,很难准备样品,及其适用性。由于这些原因,这一趋势的应用TEM技术在文化遗产没有显示常规的增加。
这些因素是指大量的出版物,这只是部分反映了实际情况,因为不是所有的杂志都包含在斯高帕斯。
在谷歌学术搜索,1900篇论文了,但正如前面数据分析。出于这个原因,相同的关键字选择通过流行和997年出版物突出在2005 - 2018。753最引用(引用)是一本书,一篇论文的应用凝胶清洗艺术品材料提出了(20.]。流行的文章选择了用近450种不同的期刊,程序,和网站。
基于这个简短的研究,很明显,关键字的选择和数据库可以给非常不同的结果。此外,使用简单明了的关键词,SEM-CH TEM-CH,用于促进搜索并没有给出完整的数据。在某些情况下,使用额外的单词或者是改变单词的组合,我们发现纸)包含在斯高帕斯和谷歌搜索,使用SEM和TEM技术。根据结果,而透射电镜主要用于纳米技术的发展和应用,SEM可以被认为是一个普通的分析技术在文化遗产研究的所有领域,从传统材料表征的发展创新和突破的方法。
2。SEM-EDX分析
2.1。仪表和抽样准备
这项技术是基于电子束扫描样品平行线为了获得放大的图像所需的水平。列,电子束产生的高真空加热的灯丝(钨、镧hexafluorine等)生成电子。这些电子被加速了一个潜在的差异由操作员控制,200 V和500千伏之间可能会有所不同,这取决于样本。
有不同类型的列,磁透镜,建议用于实现最初的聚焦和冷凝驱散电子束。最后列,磁设备负责的扫描运动梁在样品的表面。
在常规电子显微镜室也是高真空(约。107atm)避免梁和不同的信号交互碰撞产生的气体,它可能包含。新一代SEM,叫做环境(整体)也可以工作在低压力检查样品,无法抵抗如此高的压力,如生物样品。
这项技术的许多优点之一,文化遗产是探测器的多功能性,可以生成的交互耦合,研究不同类型的信号:二次电子、背散射电子,俄歇电子,x射线,cathodoluminescense,等。探测器大多数用于文化遗产(i)的二次电子(SE)探测器,它显示地形图像作为一个初级电子束的碰撞的结果,(ii)背散射电子探测器(疯牛病),使得所谓的成分图像,因为更高的原子序数的元素被更高的对比显示,和(3)能量色散x射线分析使标本发出的x射线的光谱的基础上他们的能量。这些不同的现象可以发生在样品同时被观察到,这一事实SEM-EDX技术最大的优势。
使用加速电子照明源,而不是可见光提高了放大。此外,它的景深使其集中在不同的高度,使获得的三维图像很现实。由于这一特性,用扫描电子显微镜观察样品不需要平坦,在光学显微镜的情况下。获得的图像颜色在不同级别的灰度对应多样化的信息取决于所使用的检测器。
初SEM-EDX应用,样本在调查中需要特殊待遇包括黄金的应用程序和/或碳作为增加其导电性涂层表面。黄金的应用导致了SEM图像质量的改善,在碳导致更精确的EDX分析中的应用。然而,样品处理现在不是必需的,由于ESEM-EDX的进步。
在文化遗产,扫描电子显微镜通常使用耦合谱分析仪,它允许的化学元素分析观察到的点或区域进行。SEM-EDX是最有趣的一个技术研究中使用的材料特性和衰减诊断在建筑遗产,主要是因为它能够获取地形,形态,与没有采样和化学信息准备,正如前面所讨论的那样。新的软件工具相关的微量分析了其应用程序中,由于元素的分布对研究区可以描述各自的SEM图像通过扫描线或表面使用假彩色地图。
此外,进一步的研究蓬勃发展主题区域的扫描电镜图像的数字处理,试图量化定性地形通过扫描电镜和形态的结果。这个研究领域集中在建筑材料的孔隙度估计(21,22),以及在保护干预措施的评估23]。
2.2。SEM-EDX应用于建立文化遗产保护
建筑材料环境负荷的不利影响是体现通过各种退化过程发现现代和历史建筑。每个衰变模式的类型和程度可能有所不同根据检查建筑材料,具体的环境因素,建设的小气候,人为活动(破坏),放弃等等。历史和现代建筑都需要保护/恢复或修复干预措施。研究最合适的干预方法和新材料的发展由于带来的挑战是巨大的环境和社会经济因素。把科学的方法建立文化遗产的保护和更可持续的材料的设计和建筑形式的趋势已经在很大程度上丰富了研究。
2.2.1。特性和衰减诊断的石头
在城市环境中,表面外壳的发展,酸攻击,和污染物的积累。这些程序应该良好的文档记录,以揭示的降解机制和为了设计的下一个步骤消除其负面影响。SEM-EDX分析已广泛应用在这个目的。钙质石是一种常见的退化过程的硫酸化在城市环境。Th。Skoulikidis首创利用SEM对考试的石膏形成古代玻璃球,表明硫酸化机制根据电化电池理论(24]。此后,SEM是用来观察石膏形成各种方解石煤岩类型中它是证明,石膏晶体的横向分布依赖于矿物的组成(25]。
在建筑表面形成黑色的外壳由钙质石头一直在调查通过SEM-EDX分析几个重要的欧洲纪念碑如雅典卫城纪念碑、希腊24,26)和西班牙的塞维利亚大教堂(27),和其他很多。SEM-EDX分析的一系列样本收集的建筑在里斯本,葡萄牙,由各种传统和现代建筑材料透露有害污染物的存在,并演示了不同因素的作用在外壳的形成28]。此外,调查的几个外壳得墨忒耳的圣所的古代玻璃球的工业大气埃莱夫西斯在希腊,用电子探针显微分析(电子探针)和SEM、深入导致样品的成分分析,分类制定机制确定外壳(29日]。
SEM图像(数据2(一个)和2 (b))显示两个样品的黑色地壳垂直于表面。EDX光谱图1(一个)显示内容的钙(蓝色光谱EDX)和硫(红色EDX谱),而EDX光谱图2 (b)显示的内容(紫色EDX谱)和钙硫(绿松石EDX谱)和光谱(红色线)和硅铝频谱(绿线)。内部分主要由钙,由于方解石的石灰岩,虽然表面是由硫和钙,由于石膏生成之间的反应2从污染和碳酸钙的石灰岩。这一层捕获其他粒子在大气和产生一个黑颜色特征。SEM-EDX允许分析过程评估污染对构建遗产和证据的影响在新表面纹理和孔隙度的差异(30.]。线扫描是一个有用的工具表面分析和风化层表征形式。
(一)
(b)
SEM-EDX应用程序的另一个重要的优势在外壳的调查是任何光泽发生的检测。检测绿锈和彩色的高由于历史重要性,物理化学,和审美的原因;,因此他们必须被保留在保护措施的应用。
衰减诊断中建筑材料的主要立面雅典的国家考古博物馆,希腊(南),黑色外壳的衰减模式特点是确定在许多大理石表面的检查(31日,32]。
核心的横截面样本的大理石首都南进行了SEM和EDX映射。图3礼物代表一个有凝聚力的形象(a)一个内部黑色外壳构成,紧凑,和清晰的石膏层微晶结构,(b)外部石膏层富含硅和铝,和(c)一层厚度低,富含英航和锌、位于两个提到的石膏区和描绘成白线在SEM BSE图像(图3 (b))。检查样本是一个典型的分层的黑色外壳一个清晰的石膏层内部和外部石膏层含有硅酸铝化合物和礼物黑暗的颜色,因为黑色的积累口供作为数字显微镜图像显示(图3(一个))。然而,Ba-Zn中间层并不是通常将被识别,因此研究其起源非常重要,因为如果这是一个神态,它应该被记录和保存时保护治疗应用。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
这次调查框架内,采样,从室内大理石首都的相应区域的入口大厅,发生。南举行几个颜色装饰的室内大理石首都残留的黄金,蓝色,红色,可以直观地观察到。此外,保护治疗从未上执行这些建筑表面,根据博物馆记录。因此,无论装饰技术被使用,它可以追溯到最初的建筑历史建筑在19世纪的结束。图4SEM和EDX映射调查结果显示代表一个室内大理石样品金色色调,由于有机颜料的使用32),减少截面。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
数据4 (b)- - - - - -4 (f)演示的厚层富含Ba、锌、和S,在顶部的大理石表面和有机颜料层(图4(一))。Ιt得出这一层是锌钡白的白色颜料(主要化学成分:28%的硫化锌和贝索472%),介绍了在19世纪下半叶,而且它也被用作制备中、基地等着色装饰金(33]。是根据生产硫酸钡的共同沉淀反应和硫化锌,如下所示:
因此,可以得出结论,Ba-Zn层确定在石膏层之间的黑色皮样的户外资本南是锌钡白颜料的遗迹。这是很重要的历史证据指出户外首都南历史建筑的颜色介于19世纪末和20世纪初,锌钡白使用繁荣的时期。因此,这个锌钡白层被认为是保留光泽,每当保护干预发生在未来在不结盟运动的历史建筑。
salt-induced衰变现象自然石头是另一个重要的和严重的衰减系数,必须解决。毛细上升和/或海洋气溶胶的主要来源是盐石结构。石微观结构特性,如孔隙度和孔隙大小分布,以及环境条件影响盐结晶过程。颗粒解体的石头,裂缝,甚至整个砌体的分遣队的部分可以发生由于盐结晶在多孔系统。
SEM-EDX分析可以用来确定盐晶体的形态和化学成分,以及映射不同盐的表面和深度分销阶段建筑的石头。盐风化和subefflorescence现象法拉教堂建筑的石头在西班牙加的斯大教堂的纪念碑记录关于他们的空间分布,其季节性变化相关性小气候,盐的检测由于混合城市和沿海环境,和恶化的程度由每一个34]。此外,SEM-EDX被用来记录和文档不同岩盐形态调查海洋气溶胶的影响干沉积在中世纪城市罗兹的纪念碑,希腊35]。
中世纪城市罗兹是海洋环境的特殊范例演示氯化钠结晶作用于高度多孔的石头,biocalcarenite发现罗德纪念碑。氯化钠晶体的生长机制是通过利用扫描电镜和电子探针监测的,虽然他们可能的破坏性影响毛孔的墙壁是记录在样品取自历史营造艺术(36]。在这项工作,开发表明,形状规整的等距的氯化钠晶体在石头上的毛孔,位于较低的历史营造艺术的和内心的部分检查,也就是说,提出相对高湿度地区样本浓度(图5(一个))。因此,氯化钠等距晶体的生长是有利的孔隙,当供给率高于盐溶液的蒸发过程。相反,当蒸发率高盐溶液供给相比,柱状晶体的氯化钠是孔隙(数据开发的5 (b)和5 (c))。这种状况被发现在更高和外部表面的历史砌体研究,在低湿度测量值的样本进行调查。
(一)
(b)
(c)
因此,上述差异的氯化钠晶体生长模式指定的蒸发率的差异历史石营造艺术接受调查height-wise和深度方面(36]。
然而,无论晶体生长模式的情况下,随着氯化钠晶体生长在毛孔,毛孔壁的破坏可能发生,根据结晶生长晶体对孔隙压力的墙壁,小气候条件,和石头的属性。
除了上述无机类型的衰变,生物诱导损伤是石头的另一个重要的恶化因素。生物退化,退化石材表面的地衣、真菌、藻类和细菌,是一个过程的物理、化学、生物、和审美的本质37]。石头矩阵由菌丝穿透和菌体发展机械损坏,而化学分解的石头发生由于有机酸的排泄,其中一些诱发变色石上表面(38),而生物效应在石头纹理导致矿物替代或浸出39]。
殖民的微生物石头取决于环境条件作为水分,温度,曝光和营养可用性(40]。
SEM应用在生物腐蚀的研究是相当有用的识别和分类的历史基质微生物明显,根据他们的形状和形态特征。此外,生物退化机制和信息对石材纹理的影响可以通过SEM观察发现。
Amphiareion的考古遗址Oropos,希腊,是一个oracle Amphiaraos致力于古代英雄,建于公元前5世纪末期。尽可能多的考古遗址,Amphiareion礼物广泛生物腐蚀的建筑元素。样本大理石表面呈现变色和生物降解收集被评估。算盘描绘在图6(一)是一个石头元素进行调查,是代表一个关于保护Amphiareion大理石表面的状态。SEM的调查样本取自black-grey面积大理石abacus证明microcolonial真菌的存在(MCF)黑酵母类型。特别是,很大一部分的大理石表面呈现biopitting MCF一览无遗的单个细胞,深入渗透到大理石矩阵(数字6 (b)和6 (c))。此外,在图6 (d)biopitting和新鲜的破劈理,显示了大理石的灾难性的速度bioetching microcolonial真菌作用是明显的,而在左边图像的一部分,丝状的增长开始一个新的小菌落完全由类酵母菌细胞观察。放线菌属的花粉粒和细丝附着在生物膜检测图6 (e)在图像的左上角,而一个大型真菌丝由neomineral晶体是注意到。最后,地衣真菌菌丝体、真菌菌丝,生物膜,使单个细胞集群或丝垂直渗透到大理石呈现在图6 (f)。因此,尽管宏观变色的最初印象但公司外部大理石表面,通过SEM,长在石头上的和石内的地衣真菌存在,瓦解大理石矩阵化学和机械。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
2.2.2。历史砂浆技术
考试的历史迫击炮的结构特点,同时,对于材料科学的重要领域建立文化遗产。Microtextural考试是通过SEM调查并提供有价值的信息属性,历史迫击炮和混凝土的性能,生产技术(41),和新阶段的进化形成42]。砂浆形态和纹理信息的接口衔接粘合剂聚合物(43),以及化学成分的研究,可以通过SEM-EDX利用率(44]。肿块内发现砂浆矩阵(45),以及反应钢圈之间的火山灰添加剂和石灰绑定(46),由SEM-EDX观察,阐明采用的生产技术。此外,盐结晶引起的衰减到迫击炮的毛孔也可以监控(47]。
物理化学和物理力学性质的知识的历史迫击炮是兼容的设计修复的基础的(48,49]。SEM-EDX是一种有价值的技术在整个设计和决策过程中,不同的研究在文学意味着[43,50]。
研究的历史迫击炮在伊庇鲁斯卡桥,希腊,SEM-EDX分析提供重要的信息关于他们的微观结构特征,因此在他们的生产技术。普拉桥建于1866年,由于其独特的结构,被认为是一个纪念碑伊庇鲁斯地区的特征。2015年,其核心部分倒塌,一个跨学科的研究是对其修复的雅典国立技术大学(51]。
历史迫击炮普拉桥被彻底调查在这项研究中,为了设计执行和恢复迫击炮(兼容52]。得出结论,悠久的历史迫击炮lime-pozzolan,呈现高水硬性[49]。水星入侵porosimetry (MIP)显示高孔隙度测量值(平均约43%),高的比表面积值(19.47 - -49.49米2/ g),较低的平均孔隙半径值(0.013 - -0.047μ米)、低容重值(1.11 - -1.64克/厘米3)[49,52]。这些微观结构特征是由于纤维粒子的扩展网络,穿过砂浆粘结剂和在许多情况下是塑造细长棒,以及纤维矿物骨料(数据的使用7和8分别)。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
看来,因为卡桥,one-arched桥,有特殊施工要求,这些要求包括使用一个特殊的传统技术砂浆生产:轻迫击炮等较低的平均孔隙半径和孔隙大小分布阻碍水的毛细上升。
2.2.3。保护材料的评估和治疗
需要一个坚实的分析方法,以评估使用某些性能标准保护措施是指出在文献[31日,53,54]。清洗、整合和保护一些最常见的干预领域的建筑遗产。保护材料/方法的选择是基于多个参数,主要考虑治疗和基质之间的兼容性问题;然而,每个应用程序应该实验室和测试在历史建筑的规模进行调查,以确保兼容性的需求实际上是满足。
SEM-EDX上述目标是一个功能强大的工具,因为不同的数据关于纹理,形态、和组成的“复合”系统可以收集保护唯物主义历史观的衬底等保护科学的许多方面(a)的整合优化和性能评估治疗使用nanolime材料(19),新型无机方法(55,56),和混合nanomodified材料(57];(b)的防水处理性能的评估关于他们渗透多孔石(58];和(c)评估清洁治疗石外壳(59,60),在不同类型的涂鸦61年- - - - - -64年]。
最重要的一个标准的清洁评估清洁表面的黑色外壳chemical-mineralogical成分及其分层。SEM-EDX样本的分析,从一个黑色的外壳前后表面清洁,减少交叉部分,提供了有价值的信息关于表面微观结构,各层,保留和/或删除,神态保存(如果它存在的话),和可能的清洁副产品或其他不良反应,清洗可能诱导石头。
不结盟运动国家衰变后诊断和铜绿识别、上一节提出的(2.2。1),试点清理干预应用采用原位和评估方法,结合SEM-EDX几个其他评价技术(31日]。的清洁方法之一的黑壳是一个离子交换树脂与去离子水申请20分钟。图9介绍了SEM-EDX特定资本前表面清洗的结果。在这种情况下,包浆层只有重晶石(贝索4)和硫化锌,这可以归因于更高的衰变速率硫化锌礼物,重晶石相比是一个相当稳定和惰性化合物。此外,重晶石层位于外区明确的石膏层微晶结构。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
图10礼物SEM-EDX结果与去离子水的应用离子交换树脂后20分钟。据集清洁评估标准(31日),这种清洗方法分为一个接受,但不能推荐给最终的应用程序。尽管微晶well-retained石膏层,包浆不保存在所需水平,自连续性和重晶石的厚度层之前不像相应的清洗。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
此外,形态3 d-sem图像允许建立适当的清洁建筑物染色条件由石墨或存款和监控风化形式(61年]。图(11日)显示了白云石大理石清洁的监控Nd: YAG激光器在1064海里。在这石头,广泛用于建筑,气孔主要是晶间由于颗粒接触,没有观察到结构破坏激光清洗后,和类似新鲜大理石的表面形貌和孔隙度。另一方面,SEM可以证据破坏油漆层清洗过程和Nd: YAG激光在1064海里。图11 (b)显示了一个铅白色层在1064 nm激光清洗后和证据的陨石坑发生大小不同的铅球状体的形成。正因为如此,这种清洁技术Nd: YAG激光在1064海里不能推荐油漆墙壁铅白可以用作色素或制备层。
(一)
(b)
开发新的基于nanolimes nanoconsolidants (Ca(哦)2纳米颗粒)或二氧化硅纳米颗粒(SiO2纳米粒子)被广泛研究了扫描电镜从形态学的角度来评估与石头衬底的兼容性。图12(一个)显示了石灰石来自波多黎各的采石场圣玛丽亚(加的斯、西班牙)治疗基于nanolimes Ca(哦)2纳米粒子是占领晶间孔隙度、巩固碳酸与方解石和石英颗粒,而图12 (b)显示了二氧化硅纳米颗粒治疗,一层二氧化硅表面上观察到的表面,不交叉的石灰岩Espera(加的斯、西班牙)。SEM允许我们解释这种石灰岩的二氧化硅纳米粒子的不相容,因此,前处理基于nanosilica不能推荐这种石灰岩。
(一)
(b)
3所示。TEM分析
3.1。仪器和样品制备
像SEM, TEM包括四个部分:电子光学列,真空系统,电子产品(镜头聚焦和偏转光束供应和高压发生器),和控制软件。电子束从电子枪(顶部的列),浓缩成近平行梁冷凝器标本的镜头。通过示例,传输电子由物镜收集和集中和放大的实像的样本由投影镜头投射到查看设备底部的列。
最重要的SEM和TEM之间的区别如下:(我)TEM使用广泛的静态束而SEM n光束聚焦到一个好点和逐行扫描样品表面矩形光栅的模式(2)TEM的加速电压高得多,因为渗透的标本是必需的(3)更复杂的样品制备;很重要的标本稳定和足够小(直径约3毫米),允许其引入疏散显微镜列和薄足以允许电子的传输
关于TEM分析样品制备,每个科学分支都有自己的样品厚度要求,但标本必须足够薄传输电子,通常0.5μ米或更少。
常用的TEM模式领域的文化遗产是亮场(BF)成像方法。在这种情况下,包括元素的原子序数较高地区呈现深色,相比之下,那些包含轻元素(65年]。
3.2。TEM分析了文化遗产
TEM应用文化遗产包括主要archaeometric相对均质材料的研究。无定形基质的纳米晶体可以有效地观察到一些材料,如陶瓷、玻璃釉,(66年]。在建筑材料的研究中,这项技术已经被用于评估性能的整合治疗(19),以及各种火山灰迫击炮的显微组织的考试67年,68年]。
TEM和SEM为新纳米复合材料的表征是非常有用的,因为TEM允许识别矿物阶段和之间的关系构成纳米复合材料的纳米粒子,和SEM通知对纳米复合材料的形态及其总体的趋势。最后一个因素必须考虑的应用治疗前在石头69年]。图13显示了一个示例的结合使用TEM和SEM研究基于银和二氧化钛纳米颗粒的纳米复合材料。银和TiO之间的互动2纳米粒子被TEM研究了。此外,我们可以看到图像中插图图(13日)高分辨率透射电镜图像允许识别TiO2纳米粒子用于与锐钛矿纳米复合材料,测量对应的晶格条纹的间距(1 0 0)点阵平面的锐钛矿。SEM图像相同的纳米复合材料(图13 (b))提供了层析信息来识别该纳米复合材料中使用的不同纳米颗粒的形态特征(形状和大小)和总没有溶剂的趋势。
(一)
(b)
在最近的出版物,我们这里介绍使用SEM和TEM防污纳米粒子的形态特征的传统应用程序(70年]。基于最近的和更严格的规定,许多商业杀虫剂毒性逐渐被禁止。遗产保护的防污剂的使用和应用,特别是考古区域和户外艺术品和建筑,是至关重要的考虑关键等方面效率、可持续性,和毒性为运营商和周围的环境。的工作显示,合成和表征二氧化硅nanocontainers装满zosteric钠盐,一种天然产品防污剂(NPA)。
两种不同的化合物,苯甲酸钠(BS)和zosteric钠盐(深圳)、测试和封装在二氧化硅纳米粒子。数据(14日)和14 (b)显示典型的SEM和TEM图像空二氧化硅nanocapsules (NC)。TEM图像(图15 (b))描述了球形纳米粒子并显示他们的空心性质,对比也突出了这黑暗的边缘和中心。
(一)
(b)
(一)
(b)
SEM和TEM图像的比较的数控nanocapsules含有合成的杀虫剂是需要确认的过程没有促进变化的形状,但在大小。基于TEM-associated大小分布(见[70年]),nanocapsules的大小(NC)集中在148纳米,而容器装满z的分布和BS 563和164海里,分别。数据(16日)和16 (b)显示的SEM和TEM图像z - BS-encapsulated粒子,分别。
(一)
(b)
形象突出,特别是,这两个样品,与启动nanosilica容器相比,可能出现凝聚由于有机残留的存在。SEM和TEM分析技术的应用不仅是在这种情况下基本的验证封装过程也为理解nanocontainers的与产品的交互。在农药的情况下,容器内的产品的存在是为了保证一个至关重要的方面控制释放无毒、环保的农药。
TEM测量也被证明是非常有用的在考试中粘结剂之间的界面反应和可能的钢圈的一部分历史迫击炮的总量,从而揭示其生产技术和解释他们的优良性能。
火山灰迫击炮可以发现在几个考古遗址和古迹,早在公元前1500年(如墙面涂料在圣托里尼岛岛,希腊)。在拜占庭帝国和奥斯曼帝国时期,许多遗址是由石灰迫击炮,砖的使用,在压砖的角色一个人工火山灰。这些纪念碑一直以来都显示良好的行为,尽管负面的环境因素。
具体来说,在图17TEM测量显示,C-S-H胶体晶体界面的存在,之间形成钙质矩阵和砖的表面聚集的圣索菲亚大教堂迫击炮71年]。这个阶段类似于C-S-H凝胶阶段形成的水泥砂浆和解释了整个世纪,圣索菲亚大教堂的耐久性以及其优秀的地震应力作用下的地震反应,因为这些无定形液压构造(CSH),除了传授更高的机械强度值的砂浆,也允许更大的能量吸收,而提升的骨折。
(一)
(b)
相同的凝胶,foil-like形态,也注意到历史传统砖迫击炮上找到各种各样的纪念碑在罗德岛(图18),进一步确认其积极影响和砂浆生产技术的广泛使用67年]。这些发现提供的基础设计适当的修复迫击炮可以展示这些最高品质除了增强兼容性,和TEM可以作为一种工具在确认最优C-S-H凝胶的形成。
(一)
(b)
4所示。结论
使用最广泛的扫描显微技术建立文化遗产保护领域的扫描电子显微镜和透射电子显微镜。
SEM-EDX应用普遍,常见建造领域的遗产,因此,SEM-EDX可以被认为是一个常规的技术,而不是研究方法,(a)建筑材料特性,(b)铜绿识别,(c)环境影响评价的有关建筑材料污染、盐结晶,和生物腐蚀,保护材料和(d)评估和治疗,如清洗、整合,和保护。形态、微观结构和化学信息可以收集和记录由SEM-EDX应用,结合小无需样品制备,建立了关键作用的这种技术建造领域的文化遗产,在抽样相当有限,因此技术允许多样化的数据明显价值的方法。
TEM应用,另一方面,不是很常见建造领域的遗产,主要是由于建筑材料存在的异质性,这一事实导致减少了这种技术的适用性,并没有忽略样品制备的要求的程序,尤其是当考虑到样品制备对TEM结果的质量有很大的影响。然而,TEM成为不可或缺的工具的情况下(a)检测和检查等纳米结构在历史建筑材料、信息披露他们的生产技术和解释他们的属性,和(b)尖端纳米材料的发展评价,特别设计的建筑遗产的保护。
技术进步将进一步发展能力和上述两种技术的适用性,不仅还其他的扫描显微技术,在材料科学,导致的应用改进的方法论的方法构建的可持续保护文化遗产。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢希腊文化部的研究框架的雅典国立技术大学的科学委员会卡桥修复。此外,作者要感谢环境科学、信息学和统计ADIR金融支持。作者承认w . Krubein教授的宝贵帮助,奥尔登堡大学的扫描电镜测量Amphiareion考古遗址,希腊。我们应感谢大学的高分辨率显微镜服务Pablo Olavide塞维利亚(西班牙)。本研究的一部分,是部分支持的项目bia2015 - 64878 r (Art-Risk,里特•项目Ministerio de隐藏y Competitividad和洋底Europeo de Desarrollo地区),RIVUPH,军政府的安达卢西亚的一个卓越的项目(代码哼- 6775),和研究团队从军政府安达卢西亚tep - 199。j .一步是感激Ministerio de Educacion y Deporte文化,为他的博士奖学金(FPU14/05348)和塞萨洛尼基的教会大学学院保持访问研究员。