Kunst und Physik: Auch organische Farbpigmente jetzt aufspürbar

Dank verbesserter optischer Messmethode lassen sich nun auch organische Farbreste auf Kunstwerken per Leuchtsignal aufspüren

New York (USA) - Winzigste Proben genügen, um jetzt auch Farben auf Naturbasis in alten und besonders in antiken Kunstwerken zu analysieren. Bislang waren solche organischen Farbreste mit den üblichen physikalischen Techniken nicht zu bestimmen, weil sie bei der einen Methode zu schwach, bei der anderen zu stark aufleuchteten. Doch mithilfe silberner Nanopartikel und dem Verbessern einer optischen Streuungstechnik gelang es einem New Yorker Museumsforscher jetzt, die ältesten bekannten Färbemittel, aus Pflanzen- und Tierextrakten, in archäologischen Funden eindeutig nachzuweisen. Die Methode könnte auch der Polizeiarbeit dienen, um feinste organische Spuren aufzudecken - oder etwa der Pharmaforschung ein neues Analysewerkzeug bieten, schreibt der Forscher in den "Proceedings of the National Academy of Sciences".

"Die schwachen Konzentrationen, in denen diese [organischen Farbstoffe] verwendet wurden, und die Störungen durch die Protein, Harz oder Öl bindenden Substanzen in Pigment- und Lackproben" machen das Identifizieren schwierig, schreibt Marco Leona von der Forschungsabteilung des New Yorker Metropolitan Museum of Art. Ohnehin ist das Probennehmen kaum möglich, ohne das Kunstwerk zu beschädigen. Leona gelang es, die Empfindlichkeit der Messmethode deutlich zu verstärken. So sind nur noch Proben von 25 Mikrometern Durchmesser nötig, Kunstwerk oder Artefakt müssen nicht beschädigt werden müssen.

Schlüsselfaktoren dafür waren ein hochaktives stabilisiertes Silberkolloid sowie eine "nicht schädigende Behandlungsprozedur für die Hydrolyseprobe, die die Adsorption auf dem Kolloid maximiert", schreibt Leona. Das Silberkolloid gewann Leona durch Mikrowellen unterstützte Reduktion von Silbersulfat mit Glukose und Natriumcitrat. Nachdem der Forscher seiner Farbstoffprobe das Kolloid hinzugegeben hatte, setzte er auf die selten genutzte, so genannte Oberflächen verstärkte Resonanz-Raman-Spektroskopie (SERRS, englisch: SurfaceEnhanced Resonance Scattering). Diese Methode eignet sich etwa, wenn die eigentliche Raman-Strahlung wie bei organischen Farbstoffen von Fluoreszenz überlagert wird. Das Silberkolloid mindert das Fluoreszieren und verstärkt die Raman-Strahlung. Für gewöhnliche UV-Absorptionsanalysen und Fluoreszenz-Spektren liefern organische Farbstoffe zu schwache Signale.

Beim Zugeben des Silberkolloids zur Probe wanderten die Farbpartikel zur Oberfläche der Nanoteilchen. Dort sorgen sie für eine Verbindung zwischen den Silberpartikeln, die dadurch verklumpen. Mit Laserlicht bestrahlt, wird das elektromagnetische Feld des Strahls an diesen Stellen verstärkt, weil es in Resonanz mit den so genannten Oberflächenplasmonen schwingt - parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregte elektronische Schwingungen. Dank dieses Effekts führen wenige tausend Moleküle zu extrem hoher Ramanstreuung, die sich auch bei winzigen Farbproben messen lässt. Insgesamt 25 Minuten benötigte Leona, um mit seiner Methode archäologische Pigmentproben von nur 25 Mikrometern Größe zu analysieren.

Erfolgreich war er unter anderem mit den frühesten bekannten Proben des Alizarin, eines gelben Pigments aus der Wurzel des Färberkrapps, das sich an einem 4000 Jahre alten Fund aus Ägypten fand - sowie mit dem roten Farbstoff Laccainsäure, der einst aus Schelllackläusen gewonnen wurde und eine französische Madonna aus dem 12. Jahrhundert schmückte. Mithilfe organischer Farbstoffe und den mit ihnen behandelten Objekten können Historiker ebenso Fälschungen aufdecken wie auch die Funde in ihren historischen Kontext einordnen und Handelsrouten des Altertums nachvollziehen.