Une application unique de LIBS dans l'étude sur les crochets de ceinture du Smithsonian

Le SciAps Z-300 (maintenant le Z-903) L'analyseur LIBS a récemment été prêté à Ariel O'Connor, restaurateur d'objets au Département de la conservation et de la recherche scientifique ; Dr Blythe McCarthy, chercheur principal Andrew W. Mellon ; et Donna Strahan, chef du département de la conservation et de la recherche scientifique du Smithsonian Institution National Museum of Asian Art pour mener une étude sur leur collection de crochets de ceinture chinois. L'étude sera éventuellement publiée dans un livre sur leur typologie, leur histoire, leurs matériaux et leur technologie de fabrication.

Comme son prédécesseur le Z-300, mais avec une forme et un logiciel mis à jour, l'analyseur portable SciAps Z-903 mesure chaque élément du tableau périodique des éléments - de H à U. Le spectromètre étendu s'étend de 190 nm à 950 nm, permet de mesurer des raies d'émission de longueur d'onde plus longue à partir d'éléments comme H, F, N, O, Br, Cl, Rb, Cs et S. gamme ppm et potassium sans l'interférence du fer lourd. Le Z-675 est le plus largement utilisé pour l'exploration minière, la médecine légale, l'authentification et l'archéologie en raison de la large gamme d'éléments.

Le processus analytique

Avant de commencer l'étude, l'équipe devait comprendre comment analyser plus de 400 crochets de ceinture de la dynastie Han (environ les 5^thsiècle avant notre ère au 2^nd siècle de notre ère) avec différentes tailles, matériaux et stades de corrosion dans le but de comparer les résultats à une étude des années 1970 menée par l'ancien chef du département, W. Thomas Chase. Cependant, l'analyse des années 1970 a été réalisée en forant de petits échantillons de poudre métallique (2 à 3 mm de diamètre) et en effectuant une chimie humide sur eux. Contrairement à l'étude des années 1970, l'objectif de cette étude était d'utiliser des tests non destructifs, mais la micro-destruction était la deuxième option.

"Lorsque nous avons lancé ce projet, nous essayions de comprendre comment nous pourrions effectuer une analyse des alliages de cuivre de manière à comparer les données de Tom des années 1970 avec nos nouvelles pièces et à examiner la collection dans son ensemble", explique O'Connor.

Au début, O'Connor et McCarthy ont utilisé la fluorescence X (XRF) portable, mais se sont rendus compte que puisque la XRF est une technique de surface, ils obtenaient des chiffres très différents par rapport à l'analyse chimique par voie humide. Ils devaient trouver une méthode analytique qui analysait l'alliage en vrac.

McCarthy a commencé à chercher des techniques. « Nous avons initialement pensé à la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS). Mais avoir accès à un instrument ainsi que 400 objets, dont certains sont assez volumineux, à l'intérieur d'une chambre n'était tout simplement pas réaliste pour ce projet », explique McCarthy.

Ils étaient avides d'une approche qui leur donnerait des résultats sur le métal lui-même, pas sur les couches de corrosion. "Nous avons trouvé des gens à Yale qui utilisaient votre LIBS, alors j'ai appelé Dr Richard Hark [Conservation Scientist, Yale Institute for the Preservation of Cultural Heritage], et il m'a présenté Morgan [Jennings] », explique McCarthy. "C'est là que le LIBS SciAps entre en jeu."

O'Connor et McCarthy ont pu profiter de la Programme de prêt académique chez SciAps et a demandé aux meilleurs spécialistes produits de l'entreprise de les former sur le LIBS. Morgan Jennings et Jonathan Moller ont travaillé avec l'équipe tout au long de leur prêt, répondant aux questions et proposant des solutions à leurs problèmes uniques.

« Je suis un restaurateur d'objets, pas un scientifique », dit O'Connor, « donc j'ai vraiment apprécié le temps que Morgan et Jonathan ont passé avec nous. Essayer d'analyser des alliages anciens est un défi dans le monde des musées parce que chaque méthodologie a ses défis, et nous avons des limites quant à savoir si nous pouvons ou non échantillonner les artefacts. Le fait que Morgan et Jonathan nous aident à réfléchir à la manière d'obtenir les meilleures données possibles dans les limites de la corrosion et de l'échantillonnage a été inestimable. »

Les défis

Avant de commencer à analyser les crochets de ceinture, l'équipe a développé de nouveaux étalonnages pour les principaux éléments des alliages. Aujourd'hui, la plupart des alliages commerciaux ont tendance à être des laitons contenant du zinc. Ce ne sont pas les mêmes compositions que l'on retrouve dans les objets chinois anciens.

Ils ont créé un nouvel étalonnage basé sur les normes qu'ils avaient au musée. O'Connor a également emprunté des normes à des collègues d'autres musées. « Pour l'étain à haute teneur en particulier, puisque nous n'en avions pas dans notre collection de référence », explique O'Connor.

L'étalonnage a été long en raison des nombreux oligo-éléments présents dans les anciens alliages de bronze chinois, ainsi que de la large gamme de concentrations de nombreux éléments. « Nous avons effectué 41 étalonnages d'essai », explique O'Connor.

Analyse des crochets de ceinture

La recommandation de Morgan pour une analyse précise était de capturer 3 à 5 points. Par conséquent, O'Connor et McCarthy ont choisi d'examiner 3 points sur chaque crochet de ceinture. Le défi consistait à sélectionner où sélectionner ces 3 spots. Ils n'analysaient pas le devant ou toute partie qui avait une décoration. Même si le LIBS est une technique micro-destructrice, la tache, "qui a à peu près la taille d'un point à la fin de la phrase dans une police de 10 ou 12 points, était toujours visible", explique O'Connor. Le plan d'O'Connor était d'analyser un point sur le bouton et 2 points à l'arrière des crochets de ceinture. "J'ai essayé de choisir une zone qui semblait la moins corrodée." Elle portait un optimiseur de grossissement, qui avait un grossissement de 7x pour l'aider à sélectionner un endroit.

« J'ai construit une plate-forme avec une empreinte en forme de V sur une table élévatrice pour qu'elle soit mobile », explique O'Connor. L'analyseur s'intègre parfaitement dans la plate-forme, qui a été lestée pour supporter le crochet de la ceinture. "La caméra est un peu difficile à cause de l'angle, et l'endroit où le laser frappe l'artefact est un peu éloigné de la caméra [dans le Z-300]. J'ai appris les nuances du placement afin d'être précis à moins d'un millimètre », explique O'Connor. Le problème a depuis été corrigé dans les analyseurs de la série Z-900.

Le prochain défi dans l'analyse des crochets de ceinture était de savoir comment utiliser l'analyseur et les étalonnages pour trouver les pourcentages de chaque élément dans les artefacts. "Parce que le développement d'un étalonnage peut prendre beaucoup de temps, nous voulions pouvoir peaufiner l'étalonnage », explique McCarthy.

« Nous voulions également pouvoir analyser les données lors de futurs étalonnages », explique O'Connor. « Au départ, nous devions acquérir le spectre de l'analyseur, mais il l'a ensuite exporté d'une manière qui ne nous permettait pas de le soumettre à un étalonnage différent. Lorsque nous avons acquis le spectre via le logiciel Profile Builder, nous n'obtenions que nos chiffres de rapport d'intensité, mais nous voulions les pourcentages de chaque élément, que nous ne pouvions obtenir que de l'analyseur.

Une fois de plus, l'équipe a contacté Morgan. Il leur a présenté la fonctionnalité logicielle, connue sous le nom de Spectrum Cal Analysis, pour effectuer leurs tests. « Et c'est ainsi que nous avons pu tester plusieurs étalonnages sans analyse supplémentaire sur les crochets de ceinture », explique O'Connor. "Nous avions la possibilité de réexécuter toutes nos données d'objets à chaque nouvel étalonnage. Ce conseil de Morgan a vraiment tout changé pour nous », déclare O'Connor.

« En fait, il valait mieux pour nous que ce ne soit pas facile sur étagère. Nous en avons appris davantage sur la technique, qui, à long terme, a donné un meilleur résultat », explique McCarthy.

Prochaines étapes

"Notre prochaine étape consiste pour Ariel à traiter toutes les données. Et puis faire des statistiques et des regroupements pour voir comment ils correspondent à ceux qui proviennent de l'archéologie comparée et de l'histoire de l'art », explique McCarthy. « Nous examinerons également la fluorescence X à des fins de comparaison, car XRF est la seule option pour de nombreux musées. Ensuite, nous rassemblerons toutes ces données avec les résultats de toutes les autres analyses et créerons une typologie », explique McCarthy.

De plus, ils ont consacré beaucoup de temps à examiner méticuleusement chaque objet au microscope tout en capturant des photographies détaillées des techniques de fabrication et de décoration et en mesurant la largeur et la profondeur des marques d'outils. « Nous examinons également la production, l'utilisation et les réparations des crochets de ceinture. Il faut collecter beaucoup de données sur chaque objet avant de pouvoir commencer à examiner les tendances », explique O'Connor. Finalement, ils examineront également la composition de l'alliage en vrac et l'utilisation d'étain et de plomb dans les crochets de ceinture. « Nous passons également aux rayons X chacun des crochets de ceinture », explique O'Connor. "Pour les crochets de ceinture solides, la porosité dans certaines zones peut nous indiquer la direction de coulée. Avec ceux qui sont martelés ou fabriqués d'une autre manière, les rayons X nous donnent des informations techniques supplémentaires.

"Avoir le SciAps LIBS pour ce projet était vraiment essentiel", déclare McCarthy. "Je pouvais voir le LIBS être utile de multiples façons au-delà des crochets de ceinture, par exemple, dans les études de nos céramiques et de notre grande collection de bronzes chinois."

SciAps, Inc., est une société d'instrumentation basée à Boston, spécialisée dans les instruments d'analyse portables pour mesurer n'importe quel élément, n'importe où sur la planète. Leurs analyseurs à fluorescence X (XRF) et laser (LIBS) à la pointe de l'industrie sont à l'œuvre dans toutes les grandes industries, y compris le pétrole/gaz, les métaux et l'exploitation minière, l'aérospatiale, les batteries et les métaux stratégiques (lithium, éléments de terres rares) , recyclage de la ferraille, chimie et pétrochimie, militaire, médecine légale et application de la loi. Les instruments SciAps sont configurés pour mesurer des éléments dans tous les types de matériaux, de sorte que les applications sont en constante expansion, incluant récemment la recherche spatiale, les revêtements antiviraux pandémiques, l'agriculture et les contaminants environnementaux.