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In the present talk the basics of the Raman spectroscopy and particularly of Raman microscopy are explained. Advantages and disadvantages of the method are highlighted through selected case studies. In the second part of the lecture examples of correlative imaging with electron, X-ray, ion and optical microscopies from micro- to the nanoscale are highlighted.
Raman microspectroscopy enables imaging of the distributions of mineral phases as well as physical properties of materials, such as crystal orientations and crystallinities, with down to sub-micrometre resolution. In a combination with other spectroscopic and microscopic techniques, this approach was applied to the analysis and elucidation of ancient production technologies of stucco fragments made of high-fired gypsum mortar and Egyptian blue pigment discovered on a monochrome wall painting fragment originating from the Early Medieval (5th/6th century AD) construction phase of the church St. Peter above Gratsch in South Tyrol (Northern Italy).
Naturwissenschaftliche Belege für die Verwendung von Ägyptisch Blau, dem klassischen Blaupigment der römischen Antike, an frühmittelalterlichen Wandmalereien in Mittel- und Südeuropa sind bisher nur vereinzelt greifbar. Das hier diskutierte monochrom blaue Fragment einer Freskomalerei auf Tünche gehört zum zweiten Kirchenbau von St. Peter ob Gratsch (Südtirol, Norditalien); zumindest der Putzmörtel ist gemäß Radiocarbondatierung im 5. oder 6. Jahrhundert n. Chr. zu verorten. Das flächendeckende Abrastern der Probenoberfläche mittels Ramanmikrospektroskopie vermochte neben dem farbgebenden Cuprorivait (und Pflanzenschwarz aus der Untermalung) 26 begleitende Mineralien bis in den Spurenbereich nachzuweisen. Diese erstaunliche Vielfalt ist nur durch mikrospektroskopische Bildgebung in hoher Ortsauflösung zugänglich, ein solch vertiefter Einblick in die Mineralogie der zugrundeliegenden Rohstoffe als auch Umwandlungsreaktionen während Herstellung, Applikation und Alterung des künstlichen Blaupigmentes also an die Weiterentwicklung der analytischen Verfahren gebunden. Insbesondere die natürlichen Verunreinigungen des Quarzsandes liefern Indizien auf die Produktionsstätte: die beiden Klinopyroxene Augit und Aegirin deuten beispielsweise auf magmatischen Aktivitäten ausgesetzte Ablagerungen (oder auf vulkanische Aktivität bereits im Liefergebiet). Zusammen mit Diopsid und Feldspaten, einschließlich des seltenen Celsian, sind sie der Literatur zufolge charakteristischer Bestandteil von vom Fluss Volturno in den Golf von Gaeta transportierten carbonathaltigen Sedimenten. Im Verein mit der archäologischen Evidenz für die Erzeugung von Ägyptisch Blau in Cumae und Liternum und den übereinstimmenden Ausführungen der beiden römischen Fachschriftsteller Vitruv und Plinius der Ältere spricht dies für ein Fabrikat aus dem Golf von Pozzuoli. Als Kupferquelle wurde angesichts des Nachweises von Chalkosin (und Chalkopyrit) vermutlich ein sulfidisches Kupfererz nach Rosten zu Kupferoxid eingesetzt, als schmelzpunktsenkendes Flussmittel wohl ein gemischt-alkalisches, das heißt eine Mischung von Natrium- und Kaliumsalzen in Form von Pflanzenasche. Zum Teil mit Cuprorivait verwachsene, nicht gänzlich umgesetzte Quarzkristalle bei nur geringsten Spuren von Silikatglas lassen auf eine überwiegende Festkörperreaktion (Festphasensintern) schließen; das Aufschmelzen der Rohstoffe zu Glas dürfte bei der Pigmentsynthese eher eine untergeordnete Rolle gespielt haben.
Früh- bis spätmittelalterliche Stuckausstattungen bilden ein regionales, da an Gips-vorkommen korreliertes kunsttechnologisches Spezifikum. Aufgrund der beschränkten Kontrollmöglichkeiten über die in einem Meiler oder Feldofen herrschenden Parameter charakterisiert mittelalterliche Hochbrandgipse ein Phasengemisch aus Calciumsulfat-Hydratstufen und thermisch mehr oder weniger stark geschädigten Nebenbestandteilen aus der Gipslagerstätte. Die Analyse mittelalterlicher Hochbrandgipse erfordert die genaue Kenntnis der Bildungs- und Stabilitätsbereiche der Phasen im System CaSO4–H2O. Gips CaSO4 x 2 H2O entwässert beim Brennen über Halbhydrat CaSO4 x 0.5 H2O zu Anhydrit III CaSO4, welches schließlich in den für mittelalterliche Hochbrandgipse relevanten Anhydrit II (AII) übergeht. Für diesen wurden aufgrund der Abbindeeigenschaften drei bis vor kurzem nicht spektroskopisch unterscheidbare Sub-Phasen postuliert: Anhydrit II schwerlöslich (300-500°C, AII-s), unlöslich (500-700°C, AII-u) und Estrichgips (> 700°C, AII-E). Anhydrit I ist nur über 1180°C stabil.
Mittels strukturanalytischer Methoden wie Röntgenbeugung (XRD) und Raman-Spektroskopie lassen sich nur die verschiedenen Hydratstufen sowie AIII, AII und AI eindeutig aufgrund unterschiedlicher Kristallstrukturen identifizieren. Ein neues auf Raman-mikrospektroskopischer Bildgebung basierendes Verfahren ermöglicht den Nachweis verschiedener Brenntemperaturen aufgrund der Auswertung von Raman-Bandenbreiten von AII, welche ein Maß für die mit steigender Brenntemperatur zunehmende Kristallinität der Anhydritkörner sind.
Die Anwendung dieser Methode sowie der Nachweis pyrometamorpher Umwandlun-gen von Begleitmineralien aus dem Gipsstein als Mineralthermometer zur Bestimmung von Brenntemperaturen wird anhand von Proben früh- und spätmittelalterlicher Skulpturen und Stuckdekorationen aus Südtirol diskutiert. Außerdem wird gezeigt, wie die Analyse solch komplexer Materialien Rückkopplungen in die Analytische Chemie erzeugen kann, da zur erfolgreichen Analytik eine Möglichkeit zur reproduzierbaren Bestimmung von Ramanbandenbreiten und der Korrektur instrumentenabhängiger Verbreiterung gefunden und optimiert werden musste.
Damit sollten überzeugende Belege dafür erbracht werden können, dass die Komplexität des monomineralischen Bindemittels Gips bezüglich der je nach Brandbedingungen unterschiedlichen Eigenschaften und insbesondere bezüglich der Herausforderungen an die Analytische Chemie häufig unterschätzt wird.
The use of high-fired gypsum as binder for masonry and joint mortars or stuccowork in Central Europe in the Early and High Middle Ages was a regional specific as it depended on local gypsum deposits. The calcination technology possible at the time resulted in an assemblage of calcium sulphate phases dehydrated to different degrees and partly thermally damaged accessory minerals of the raw gypsum. Not hydrated clusters of firing products preserved in the binder matrix are a typical feature of such mortars. A novel Raman microspectroscopic approach, providing access to the burning history of individual anhydrite grains, was applied to samples from medieval South Tyrolean stucco decorations and sculptures. Beyond that, Raman microspectroscopy was employed for tracing and visualising pyrometamorphic reactions in natural impurities of the kiln run. In the discussed examples mineral thermometry indicates process temperatures above 800°C: the breakdown of magnesium-rich chlorite led to the formation of forsterite Mg2SiO4, while the thermal decomposition of dolomite CaMg(CO3)2 to periclase MgO and lime CaO yielded – after hydration and carbonation – magnesite MgCO3, CaCO3 polymorphs and magnesian calcite. Hydration of periclase in the mixed gypsum paste containing sulphate ions also resulted in magnesium sulphate hydrates, here identified in the form of hexahydrite MgSO4·6H2O. Lower burning temperatures left the accessory minerals in their pristine form, but can be traced by measuring the spectra of individual anhydrite crystals in grains of firing products and evaluating Raman band widths. Throughout the present study, calcination temperatures ranging from approx. 600°C to 900°C were determined.
Raman band widths of anhydrite II reveal the burning history of high‐fired medieval gypsum mortars
(2019)
When used as a mineral binder, gypsum is thermally dehydrated and mixed with water, resulting in a paste hardening in the backreaction to calcium sulphate dihydrate (CaSO4 · 2 H2O). Although nowadays mainly hemihydratebased (CaSO4 · ½ H2O) binders are employed, higher firing temperatures in medieval kilns yielded anhydrite II (CaSO4). Except for the discrimination of the metastable phases anhydrite III and I due to different crystal structures, variations within the production temperature range of anhydrite II (approximately 300 to 1180°C) were not analytically accessible until recently. This study describes the development of an analytical technique, which is based on steady changes of band widths in room‐temperature Raman spectra of anhydrite II as a function of burning temperature. Raman microspectroscopic mapping experiments enable to pinpoint individual unreacted grains of thermal anhydrite in mortars and to discriminate them from natural anhydrites originating from the raw gypsum. The determination of band full widths at half maximum of down to 3 cm−1 and differences between them of a few tenths of wavenumbers is not a trivial task. Thus, a focus of this work is on peak fitting and strategies for correction of instrument‐dependent band broadening, which is often neglected also beyond the field of mortar analysis. Including other potential influences on band widths, burning temperatures of 400 to 900°C can be retraced in high‐fired medieval gypsum mortars with an uncertainty of approximately ± 50 K, as demonstrated with sample material of a stucco sculpture dated around 1400.
Research in the SALSA Application Lab – Shedding light onto high-fired medieval gypsum mortars
(2019)
After an introduction into the SALSA lab building and the ideas and sources of inspiration for building up the Application Lab as a spectroscopy lab with a strong focus on imaging and microspectroscopy, a very successful example of an interdisciplinary collaboration between the fields of art technology and analytical sciences is presented.
Raman band widths of anhydrite II reveal the burning history of high‐fired medieval gypsum mortars
(2019)
An interdisciplinary collaboration between art technology and analytical sciences yielded an approach based on Raman microspectroscopy for the determination of the burning temperatures applied during the production process of high-fired medieval gypsum mortars. Analytical challenges and applications of the approach to examples from the cultural heritage of South Tyrol are presented.
Self-mated magnesia stabilized zirconia (Mg-PSZ) ceramic sliding couples have been investigated at 100 N load (P0max= 1324 MPa) in oscillating sliding conditions in different humidity conditions in air and in hot steam. Temperatures have been varied up to 400 °C and pressures up to 6 bars. The results show that the wear behavior of MgO-ZrO2 under high Hertzian contact pressures is strongly dependent on temperature and is similar for both dry oscillating and oscillating in hot steam. However, although the evolution in wear rates on temperature is similar and the wear rates of MgO-ZrO2 plunged above 300 °C in hot steam and air by nearly three orders of magnitude, SEM micrographs revealed in hot steam at 400 °C smooth wear tracks. In contrast, hot steam enhanced the tribochemistry of self-mated alumina couples and reduced wear rates. Hot steam decreased the coefficients of friction of MgO-ZrO2 with increasing temperature, but not the wear rates.
The quantification of the elemental content in soils with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is challenging because of matrix effects strongly influencing the plasma formation and LIBS signal. Furthermore, soil heterogeneity at the micrometre scale can affect the accuracy of analytical results. In this paper, the impact of univariate and multivariate data evaluation approaches on the quantification of nutrients in soil is discussed. Exemplarily, results for calcium are shown, which reflect trends also observed for other elements like magnesium, silicon and iron. For the calibration models, 16 certified reference soils were used. With univariate and multivariate approaches, the calcium mass fractions in 60 soils from different testing grounds in Germany were calculated. The latter approach consisted of a principal component analysis (PCA) of adequately pre-treated data for classification and identification of outliers, followed by partial least squares regression (PLSR) for quantification. For validation, the soils were also characterised with inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP OES) and X-ray fluorescence (XRF) analysis. Deviations between the LIBS quantification results and the reference analytical results are discussed.