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      走進科技考古研究,談與科學儀器的故事——訪上海光學精密機械研究所科技考古中心李青會研究員

      儀器信息網 2019/12/13 09:36:33 點擊 3008 次
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      [導讀] 采訪中,李青會暢談了自從事近二十年的科技考古工作,并為我們揭開了它神秘的面紗,包括與科學儀器等科技手段之間的故事。

        在“洛陽鏟”、“分金定穴”、“摸金校尉”等熒屏印象之下,大眾眼中,考古充滿著神秘的色彩,是一個不折不扣的文學類學科。實則不然,考古自誕生以來,就與自然科學及科技手段有著密不可分的關系。改革開放以后,隨著考古儀器設備的不斷發展和多學科合作觀念的深入,中國的科技考古逐步進入快速發展階段。

        在科技考古界分支——硅酸鹽質文物研究領域,尤其是古代玻璃研究,有家機構不得不提,那就是上海光學精密機械研究所(以下簡稱“上海光機所”)。由于上海光機所較早介入該領域且積累了一系列優秀成果,在國內只要從事古代玻璃相關研究工作,就幾乎很難避免引用上海光機所的相關成果。而儀器信息網本次采訪的主人公——李青會研究員,就是在這里與科技考古結緣。采訪中,李青會暢談了自從事近二十年的科技考古工作,并為我們揭開了它神秘的面紗,包括與科學儀器等科技手段之間的故事。

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      上海光學精密機械研究所科技考古中心李青會研究員

        在內容展開之前,我們首先對李青會的研究領域分支做一個簡要介紹。

        李青會博士期間師從我國光學材料、非晶態物理學家干福熹院士,目前主要以絲綢之路(草原絲綢之路、綠洲絲綢之路、西南絲綢之路、海上絲綢之路)為主線,利用現代的分析技術(主要采用無損/微損分析技術,基于光學和光譜學技術構建文物的科學表征體系),研究絲綢之路沿線地區出土的相關文物材料。研究文物材料主要聚焦在無機材料中的古代硅酸鹽材料(如玻璃、陶瓷、玉器、硅酸鹽類顏料等)。研究內容是在系統整理古代玻璃、古代玉器等出土文物的歷史文化背景材料基礎上,與國外同時期或相近時期同類文物進行比較研究,將古代硅酸鹽質文物的材料屬性、加工工藝、產地和溯源研究、病害特征等物質屬性研究與文物的社會屬性研究有機結合,以求對古代社會生活、經濟發展,以及相關的國內各地區間及中、外文化、技術交流有深入認識。

      結緣近20年:與科技考古的故事

        學科前序:干福熹院士與古代玻璃科技考古

        20世紀50年代,干福熹院士最初加入中科院時,從事的是兩大學科的研究:理學下的光學和凝聚態物理、工學下的材料科學與材料物理化學。

        1959年,干福熹在蘇聯考察期間,與蘇聯著名古代玻璃科學家Besbrodov教授交流,Besbrodov教授曾問干福熹,“人們都在講中國古代玻璃是公元6-7世紀從西方傳入的,中國發明瓷器很早,為什么不會制造玻璃?” 干福熹當時對中國古代玻璃一無所知。但回國參觀中國歷史博物館時,看到了戰國時代的藍色“琉璃”,干福熹便產生了一個想法,如果這是玻璃,那么中國古代玻璃產生的時間就更早了。從此,干福熹對中國古代玻璃產生興趣并密切關注。此后,他在1964年和1979年先后兩次拜訪劍橋大學Joseph Needham教授,并獲得中國洛陽金村古墓的玻璃成分與西方古代玻璃完全不同的信息。這更激發了干福熹對中國古代玻璃研究的興趣,于是其研究領域進一步跨入了科技考古學中。

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      2012國際古代玻璃學術研討會

        干福熹認為,科技考古的目的是保護歷史文物和進行文明探源。在后來的學術研究中,干福熹成果豐碩,并多次主持了關于古代玻璃研究的國際研討會,為中國古代玻璃研究作出了重要的貢獻。

        2002年,師從干福熹院士的李青會完成了博士學位,并開始協助干福熹進一步開展古代玻璃研究。由此緣起,李青會開啟了他科技考古近20年的研究工作。

        緣起緣續:與科技考古這20年

        2002年,李青會師從干福熹院士完成博士學位后,開始邁入科技考古領域,這近20年的科技考古研究工作歷程,大致可以用兩個轉變來概括,即從兼職到全職;從以化學成分特征分析等簡單自然科學手段解決科技考古問題,到將文物歷史背景、著色工藝、制作工藝等文物學、歷史學與自然科學相融合方式來解決科技考古問題。

        2002年開始,李青會由于人手不足,同時還要進行存儲材料相關技術研究,古代玻璃相關的科技考古研究工作只能作為副業兼著做。到2004年前后,隨著干福熹院士主導舉辦的一系列古代玻璃相關學術會議與論壇的開展,歷史領域、科學技術領域、考古學領域等交叉領域專家開始不斷交流與合作。此時,上海光機所與國內考古研究所、博物館等相關文博單位也逐漸建立起聯系,并開展了一系列合作。這樣,科研機構與文博單位從兩個相互獨立的學科單位,經過合作研究中的不斷磨合,互相關注各自需求,逐漸形成了合作共享的良好關系。經過一段時間的積累,上海光機所目前已經與國內大部分文博單位進行了合作。

        2007年,李青會前往東京理科大學訪學,同時參與兩個課題方向,一是儀器開發(下一代掃描電鏡系統、TES能譜儀等的開發及應用),二是科技考古。在之前五年科技考古研究經驗與考古學家的合作積累下,李青會感到新的研究方向更加得心應手。隨著科技考古研究的逐漸深入,李青會也逐漸認識到,他所從事的古代玻璃研究,若僅僅做化學成分特征研究,只是純粹的數據獲取,并不能更好的解決考古問題。于是,基于古代玻璃特色及與現代玻璃的區別,他將著色工藝、制作工藝等也逐漸列入到研究內容中,希望能更好的協助科技考古研究。

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      隨州擂鼓墩M1(曾侯乙墓)出土的戰國早期玻璃珠

        2009年,李青會回國。此時,隨著團隊與科研力量的加強,他便逐漸專職開展科技考古工作,并在研究過程中認識到,在利用儀器檢測手段獲取廣泛數據基礎上,還需進一步解決考古學術問題,使得科技考古研究更加知其所以然、有據可依。比如對出土器物進行研究,要結合考古學對墓葬的背景材料或其他相關器物的認識,把古代玻璃研究得出的結論與考古學得出的結論進行比對才可以,這樣就相當于利用成分分析等科技手段獲得的補充數據去解決考古學的問題。

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        著名的“蜻蜓眼玻璃珠”拉曼光譜現場測試照片

      (有文獻記載“遂候以要做珠”,大家普遍認為曾侯用的這個“珠”可能是國產玻璃。但李青會團隊通過結合這批玻璃器皿的乳濁、著色特征還有成分體系(利用拉曼光譜),證明這批玻璃珠由西方輸入,而且很可能就在地中海東岸地區生產)

      神秘科技考古背后:多學科交叉與融合

        干福熹院士曾表示,科技考古要人文科學與自然科學相結合,要做無損分析,要不斷改進研究方法,中國考古的成果要拿到世界的環境下對比。正如所言,科技考古的多學科融合,在上海光幾所科技考古中心不僅體現在自然科學與歷史學、文物學等人文科學的融合,也體現在團隊人才培養的“文理全才”。

        科技考古的升級——多學科融合

        據了解,上海光機所科技考古中心采用的自然科學與考古學、歷史學領域的文理交叉融合研究的方法,在國內是比較成功的,也是比較先進的。學科融合不僅體現在學術上的相互借鑒,更體現在科技考古工作中與考古學家或歷史學家的交流。通過彼此的借鑒與交流,科技考古便從單純的數據獲取為主,升級到滿足自然科學與人文科學雙方的需求,從而實現真正的學科融合。

        李青會表示,“我們是用現代科學技術分析古代材料,實際上從學科角度來說,它就是一個材料學的一個研究思路和一個科學分析儀器方法選擇的問題。而解決完材料學研究思路與儀器選擇后,融合人文科學進一步研究,才能讓自然科學獲得的數據在科技考古中獲得真正意義!

        學科的融合對科技考古意義重大,比如分析器具的來源問題,就需要對器具的器形紋飾特征和科技的結論結合起來。法門寺地宮里面有一套玻璃茶托和茶盞,在當時沒有科技考古檢測情況下,由于唐代盛行喝茶,有瓷器,所以大家認為這兩種玻璃是國產的。但李青會團隊對樣品檢測后,發現這兩種玻璃都是從西方輸入的伊斯蘭玻璃,并不是國產的。

        多元融合下的特殊需求——“文理全才”

        上海光機所之所以較短時間內在科技考古領域取得不錯的成績,除了光機所在儀器開發應用方面的優勢,在人才培養方面重視“文理全才”也是一個重要因素。

        據介紹,科技考古團隊的研究生都是理工類出身,他們在儀器應用方面就具有了一定優勢。同時,科技考古研究組與其他小組還有一個很大的不同,就是內部主導的科研數據都是研究人員自己獲取,而不是交給測試員。另外,研究人員基本上都要接觸文物,所以無論之前是學光學的還是學材料或分析的,每個人最終都要補上考古歷史的知識,與檢測樣品相關的考古歷史學背景知識都要增強。這就相當于團隊中每個人都需要走完樣品檢測、樣品歷史背景資料了解,檢測和數據的解析等全部流程,需要從頭到尾參與,而不是每人只負責其中的某個流程,這就要求研究人員必須成為科技考古的“文理全才”。

      科技考古與科學儀器那些事

        科技考古實驗室的儀器“很忙”

        李青會表示,科學儀器對于科技考古十分重要,是獲取數據信息的主要工具!俺斯澕偃,我們的儀器基本是保持開機狀態的,使用十分頻繁。對于我們來說,古代玻璃研究的每一項檢測都需要信息,如果某個儀器一周不能工作,相當于我們研究的許多數據獲取就停滯了。所以,實驗室的儀器基本上一年都在工作狀態中!

        科技考古都用哪些儀器?與其他領域有啥不一樣?

        由于科技考古的樣品對象比較特殊,比如相對完整的文物或者級別比較高的文物,這樣的樣品不能隨意損壞或丟棄,所以我們對儀器技術就有了一定的要求,尤其越珍貴的文物樣品,我們所選擇的儀器檢測技術局限性就越大。上海光機所科技考古中心經過經過多年的系統調研和實踐應用,最終總結出來光學和光譜分析技術(包括需要取樣、無損的,或只需要少量,比如激光剝蝕等)是比較適合的檢測技術。

        李青會表示,“我們實驗室應用最廣泛的儀器,主要是化學成分分析類的,因為無論是無機質文物、金屬還是非金屬,要測合金比例或玉石的元素組成等都涉及到成分分析。對于古代玻璃無機材料,最普遍的還是能量色散型X射線熒光光譜儀,因為這種儀器即可以是大型的,也可以是便攜的,比較實用!

        上海光機所利用自身在光學儀器研發方面的優勢,逐漸將一系列以往在材料科學領域的科學儀器檢測方法系統地引入到科技考古行業中,并從基礎研究到推廣應用都做了大量工作,比如推動激光拉曼技術、光學相干斷層掃描(OCT)技術等的大面積應用和組合使用。

        那么,科技考古的科學儀器應用與其他領域有什么不同呢?

        首先看看檢測流程。檢測流程往往影響最終的獲取信息,比如陶瓷做熱釋光,由于外界輻射對其影響較大,檢測流程就需要先做熱釋光,再做X射線熒光成分分析,順序顛倒就會對后期釋光劑量有影響。

        定量標準也不同。由于文物樣品特殊性,許多材料需要針對不同物質做相應定量標準,這就涉及到基礎標準物質的研發,或者是校準方法的制作。因為只有統一的標準參考樣品,才能和別人的數據共享。另外,儀器中若沒有古代顏料等樣品對應的數據庫選擇,還需要去做數據庫圖譜管理工作。

        科技考古儀器選購、應用二三事

        所謂科技考古儀器的選購,就是根據考古科技的實際需求,選擇現有的或進行一定改進的儀器設備,并在實踐應用中摸索出合理的技術方法的組合。李青會認為,“選擇適合的儀器方案,并不是越高端越好。為了減少國家科技資源浪費,我們在購買儀器設備之前,至少在已經配置相關產品的三家以上單位,拿樣品去做測試評估!

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      李青會老師與XploRA™

        比如拉曼光譜儀(XploRA)的引進,在引進前,相關文物材料的結構分析是由粉末X射線衍射儀(XRD)承擔的。雖然XRD分辨率很高,但對粉末樣品百分含量有要求,比如5%或以下就探測不出來,這對文物檢測是很不方便的。而且XRD對于大尺寸樣品也受樣品槽的限制。而顯微拉曼光譜技術則有微區分析、靈敏度高、無損等優勢,可分析小量樣品,甚至是微量樣品,這對考古類珍貴樣品分析來說是至關重要的。

        在儀器附加功能的選配方面,也需要根據需求選配。李青會講到“還以XploRA為例,起初實驗室使用的是其反射照明模式觀察和定位樣品,在與HORIBA產品人員的一次交流中,了解到了XploRA的透射照明模式,在增加了該透射功能后,對于半透明和透明的樣品,如寶石內部的包裹體特征就很容易觀察清楚,從而可以方便地對樣品內部細節進行表征。而XploRA的另外一個特色——針孔共聚焦功能,可以獲取亞微米級別的空間分辨率,對于不能破損、透明或半透明的樣品,激光能穿透到特定樣品深度,獲取該深度的樣品信息,實現樣品內外層組成物相的差異分析,特別是對需要分析分層范圍、分層厚度在儀器共焦范圍(亞微米)之內的時候,這個功能十分管用!

      關于中國科技考古發展

        中國科技考古現狀:蓬勃發展

        李青會表示,黨的十八大以來,習近平總書記高度重視文化自信這一更基本、更深沉、更持久的力量,并多次就傳承中華優秀文化發表重要講話,而文物又是歷史文化信息的一個重要載體。在國家高度重視下,我國有越來越多的高校開設了科學技術史、文化遺產,或文化遺產保護等相關學科,去年就增加約六七十所,比如浙江大學、復旦大學、上海交通大學等。

        相關人才得到培養的同時,國家還在省一級博物館、考古所等投入大量資金,大大提高了科研設備硬件水平,如許多綜合類的科研設備都達到了千萬元級別。從硬件條件方面,我國已經趕上甚至超過國外水平,包括相關高校院所相關文物研究設備條件在國際上都是不弱的。

        這些都說明我國科技考古正處于蓬勃發展的時期。

        我國科技考古發展的一些建議

        雖然我國科技考古呈現繁榮發展景象,但也存在一些不足。李青會也就此談了一些看法和建議。

        人才缺乏導致儀器利用率低。由于文物單位相關工作人員,有的是文科背景出身,有的是儀器等理工背景出身,這就需要把他們培養成即懂文物本身,又懂儀器等科技方法的綜合人才,這是比較難的,國內整體上也比較缺乏此類人才,這也直接導致了科學儀器利用率不高,造成一定資源閑置浪費等問題。而提高一系列供應效率,集中人員、技術、儀器裝備等力量共享利用就是一個很有效的方案。歐美在這方面做的就比較好,集中人才、儀器設備等各方力量開展研究,在一些重要的文化遺產保護或科技考古研究中就發揮了重要作用。

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      李青會老師介紹實驗室

        文物監管比較嚴。我國的現狀是,往往文物越珍貴,監管的就越嚴。在文化遺產對社會資源敞開研究程度角度講,我國與國外還有差距。雖然我們也在開放方面采取一些措施,但總體來講,在資源公眾開放利用,加強其價值方面,我們還是比國際發展的步調要緩慢,在此方面,我國還要做更多努力。


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