Учёные раскрыли химическую тайну наноразмерного эффекта иризации исламской керамики IX века

Научная группа под руководством Барселонского политехнического университета Каталонии (UPC) и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) успешно раскрыла химические реакции наночастиц, создающие уникальный мерцающий эффект иризации в росписи исламской керамики IX века. Соответствующие результаты исследования были опубликованы в научном журнале «Science Advances».

За много веков до возникновения современной нанотехнологии гончары Аббасидского халифата IX века уже умели создавать керамику с яркими цветами — золотым, красным, коричневым или жёлтым — и металлическим блеском. Техника создания эффекта иризации зародилась на Ближнем Востоке в эпоху Аббасидов, а затем распространилась по всему исламскому миру. Профессор UPC, соавтор-корреспондент статьи Тринитат Прадель (Trinitat Pradell) пояснила, что даже сегодня людям по-прежнему трудно в совершенстве воспроизвести этот уникальный эффект IX века, поэтому команда стремилась выяснить, какие именно химические превращения претерпевал красочный состав, наносимый на поверхность керамики.

Для достижения этого эффекта иризации древние мастера сначала наносили на поверхность уже глазурованной керамики смесь, содержащую соединения таких металлов, как серебро и медь. В ходе последующего обжига эти металлические элементы диффундировали из красочного состава в стекловидную глазурь и претерпевали химические изменения, включая реакции восстановления, в результате чего на поверхностном слое глазури формировались наночастицы металлического серебра и меди. Эти частицы не просто осаждались на поверхности керамики, а глубоко внедрялись в слой глазури, образуя наноструктурированные области, химический состав и микроскопическая морфология которых в совокупности определяли способ взаимодействия поверхности со светом.

Химические реакции в процессе обжига имеют решающее значение. Окончательный цвет и блеск керамики зависят не только от наличия серебра или меди в красочном составе, но и от сложного взаимодействия между ними и другими элементами в слое глазури. В частности, относительное содержание меди и серебра напрямую влияло на химические реакции, происходящие во время обжига, и тем самым определяло формирование и размерные характеристики металлических наночастиц.

Команда UPC совместно с Марин Котт (Marine Cotte) из ESRF и её коллегами провела глубинный анализ этих древних материалов с использованием рентгеновской спектроскопии, рентгеновской флуоресценции и рентгеновской дифракции на линии ID21 ESRF и в синхротронном центре ALBA. Исследователи отметили, что пучок с микронным разрешением и целенаправленное изучение железа, меди и серебра имеют решающее значение для раскрытия химического механизма блестящего слоя.

Исследование показало, что этот металлический блеск достигается посредством механизма ионного обмена в процессе обжига. В течение этого периода ионы меди и серебра диффундируют из красочного состава в слой глазури и замещают ионы щелочных металлов. Для успешного завершения этого процесса температура обжига должна быть точно отрегулирована между температурой стеклования и температурой размягчения глазури, что способствует диффузии ионов и одновременно предотвращает прилипание внешнего красочного слоя к поверхности глазури.

Результаты исследования также показали, что различия в составе и микроструктуре между различными цветами люстра зависят главным образом от относительного соотношения меди и серебра в красочном составе. Концентрация серебра и меди, а также наночастиц вблизи поверхности глазури определяется не только соотношением меди и серебра в самом красочном составе, но и регулируется их взаимными реакциями, которые в совокупности определяют тип, количество, распределение и размер наночастиц.

Говоря о дальнейших планах исследования, учёный ESRF, соавтор-корреспондент статьи Марин Котт отметила, что данное исследование было выполнено путём анализа мельчайших фрагментов исторической керамики; на следующем этапе команда изготовит и проанализирует модельные образцы, чтобы разграничить конкретное влияние различных производственных параметров, а также изучит роль других металлов, таких как железо и олово, в этом древнем ремесле.