شیمی در هنر

فاطمه رضوانی/امیرحسین امینی/فراز علاقمند

شماره۲ نشریه اکسیر تیر ۹۹

اکثر شما که این متن را مطالعه می‌کنید، تاکنون به گستردگی و توانمندی علم شیمی پی برده‌اید. اگر می‌خواهید این حقیقت را به چالش بکشید کافی است به پاسخ پرسش زیر کمی فکر کنید: چه چیز در جهان مادی وجود دارد که به شیمی مربوط نباشد؟

در این بخش می‌خواهیم به بررسی علمی میان‌رشته‌ای بپردازیم: شیمی هنر. موضوعی که معمولاً کمتر به آن پرداخته شده است. استفاده‌ی شیمی در کارهای هنری سبب می‌شود تا علاوه بر افزایش آگاهی هنرمند نسبت به ساختار رنگ‌ها و تغییرات احتمالی آن‌ها در برابر نور، به چرایی برخی از پرسش‌هایی که پیش از ورود علم شیمی بی‌جواب مانده بودند، پاسخ مناسبی دهد.

یکی از نمونه‌های کاربرد شیمی در هنر، شیشه‌های رنگی است؛ تاریخچه شیشه‌های رنگی به قرون وسطی برگشته و یک دستاورد بزرگ هنری و عملی محسوب می‌شود. همان‌طور که می‌دانید، شیشه از محصولات هنر آتش است که در واقع ترکیبی از شن - سیلیکون اکسید -، سدیم اکسید و آهک - کلسیم اکسید- ذوب‌شده در دماهای بالاست. ورقه‌های شیشه‌ای قالب‌بندی شده از عصر رومی در معماری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نویسندگان از قرن پنجم به پنجره‌های رنگی در نوشته‌های خود اشاره کرده‌اند ولی از حدود هزار سال پس از میلاد مسیح که جنگ‌ها در اروپا کمرنگ شد، ساخت کلیسا و تولید شیشه‌های رنگی شکوفا شد. یک تصور غلط این است که شیشه‌های کلیساهای جامع در طول زمان جریان داشته و اکنون قسمت پایینی آن‌ها از بالای آن‌ها ضخیم‌تر است. این صحیح نیست و توضیح علت آن در قلب اتمی شیشه است. پیش از آن که به بحث شیشه‌های رنگی برسیم، ابتدا نگاهی به ماهیت شیشه بیاندازیم. به زبان ساده، شیشه حالتی بین مایع و جامد است. به طور کلی وقتی یک مایع سرد می‌شود به دمایی می‌رسد که منجمد شده و به صورت جامد بلوری درمی‌آید. اما شیشه متفاوت است؛ بلوری نیست ولی تشکیل شده از شبکه‌ای از اتم‌هاست که منظم نبوده و شبه مایع هستند. ساختار متفاوت و بی‌نظم شیشه به این دلیل رخ می‌دهد که فرایند سردشدن آن بسیار سریع رخ داده؛ به طوری که اتم‌ها زمان کافی برای منظم شدن و تبدیل به ساختار بلوری ندارند. اگر تنها سرد شدن سریع کافی باشد، هر مایعی حتی آب می‌تواند مانند شیشه شود. این ماده سیلیسیمی شفاف، چیزی است که ما به عنوان شیشه می‌شناسیم و با اینکه ساختار اتمی آن شبه‌مایع است، برای هر هدف و منظوری به عنوان جامد استفاده می‌شود. فرایند جاری شدن شیشه‌ها طی میلیارد‌ها سال رخ می‌دهد که برای مشاهده این فرآیند در پنجره‌های کلیساهای چندصدساله، بسیار زود است. گاهی پنچره های کلیساها در قسمتی ضخیم تر از سایر قسمت ها می‌باشد که دلیل آن، دشواری زیاد در تبدیل شیشه به ورقه‌هایی کاملا صاف است. این کار حدود 60 سال است که به طور دقیق قابل انجام است. ساختار شبه‌مایع شیشه یکی از دلایل اصلی شفاف بودن آن است. با این حال این شفافیت بدین معنی نیست که تمام نور از آن عبور می‌کند. برای مثال بعضی شیشه‌های ابسیدین بسیار تیره‌رنگ هستند. به‌طوری‌که تقریبا سیاه و کدر دیده می‌شوند. دلیل آن این است که در ساختار ابسیدین بعضی عناصر وجود دارند که الکترون‌های آن‌ها به‌نحوی منظم شده‌اند که انرژی‌شان برابر انرژی نور است. این بدین معنی است که آن‌ها کسری یا تمام نور مرئی را جذب و جسم را کدر یا رنگی می‌کنند. شیشه‌های شفاف شامل عناصر جاذب نور مرئی نیستند. پس شفاف و بی‌رنگ می‌باشند. با این حال، نور فرابنفش را جذب می‌کنند که از آفتاب‌سوختگی شما از طریق نوری که از پنجره خودروی شما وارد می‌شود، جلوگیری می‌کند. حال به سراغ شیشه‌های رنگی می‌رویم. توانایی جذب نور و رنگی کردن شیشه با عناصر مشخص، برای ساخت پنجره‌های رنگی به کار می‌رود. این رنگ‌ها توسط پیشینیان به وسیله آزمون و خطا کشف شده‌اند. افزودن مواد معدنی مختلف به دیگ‌های ذوب، تنوع رنگی شگفت‌انگیزی به ما داده است. برای مثال افزودن اکسید کبالت به شیشه در حال ذوب، آن را آبی می‌کند. زیرا کبالت جاذب طول موج قرمز بوده اما طول موج آبی را جذب نمی‌کند؛ در نتیجه طول موج‌های آبی را بازتاب می‌کند. مواد معدنی اغلب به صورت ناخالصی در شن وجود داشتند و باعث ایجاد رنگ‌های سبز و بنفش و... کمرنگ در شیشه‌ها می‌شدند که معمولا در پنجره‌های کلیساها قابل مشاهده‌اند. شیشه‌گرها دستور ساخت شیشه و شرایط کوره را می‌دانستند و با حسادت آن را پنهان می‌کردند. آنها ورقه‌های شیشهای رنگی را برای شیشه‌برها تامین می‌کردند تا پنجره‌ها را بسازند. فرایند ساخت پنجره‌های رنگی با یک طراحی هنرمندانه آغاز می‌شد که این طرح‌ها در قرون وسطی بعنوان 1vidimus شناخته می‌شدند. سپس vidimus در مقیاس کامل کشیده می‌شد و شیشه‌های رنگی روی آن قرار گرفته، بریده شده و به نوارهای سربی وصل می‌شدند. استفاده از سرب از قرون وسطی ظهور کرد. سرب ماده‌ای مناسب برای ملحق شدن به برش‌های شیشه است.

زیرا انعطاف‌پذیر و در عین حال محکم و پایدار است تا بتواند قطعه‌های بزرگ شیشه را در شرایط بد دمایی و آب‌وهوایی پشتیبانی کند.

در مطالعه‌ای جدید یافت شده است که نانوذرات طلای موجود در پنجره‌های رنگی، با تابیدن نورخورشید بر آن‌ها در خالص‌سازی هوا موثرند. به زبان امروزی، این شیشه‌ها تصفیه کننده فوتوکاتالیستی هوا با کاتالیزگرهای نانوذرات طلا هستند. هنگامی که نور خورشید ذرات ریز طلا را برمی‌انگیزاند، آنها می‌توانند آلاینده‌های اصلی هوا را تخریب کنند. محصول جانبی واکنش کربن دی اکسید است که نسبتا بی‌خطر است. این آلاینده‌ها که به ترکیبات فرار آلی موسوم‌اند، بویی که معمولا از فرش‌ها و اسباب جدید حس می‌شود را تولید می‌کند. این ترکیبات مثل متانول و کربن مونوکسید، حتی در مقادیر کم، برای سلامت انسان خوب نیستند. این تکنولوژی را می‌توان تجاری‌سازی کرده و برای تولید مواد شیمیایی خاص در دمای اتاق به کار برد و این، نشان‌دهنده‌ی تغییرات قابل ملاحظه‌ای در اقتصاد و اثرات زیست‌محیطی محصولات شیمیایی است.

یکی دیگر از کاربردهای شیمی در هنر، بررسی علت تغییرات موجود در آثار نقاشان معروف مثل ون‌گوگ، در طول گذر زمان می‌باشد. دانشمندان واکنش پیچیده‌ی شیمیایی را که موجب آسیب دو نقاشی وینسنت ون گوگ و سایر هنرمندان اواخر قرن نوزدهم شدند، به کمک پرتو ایکس شناسایی کرده‌اند. این کشف اولین قدم برای پیدا کردن روشی بود که بتوان با آن جلوی محو شدن تدریجی رنگ‌های زرد روشن نقاشی‌های ون‌گوگ با سایه قهوه‌ای را گرفت. در ضمن، نتایج حاصل از محافظت از نقاشی‌های آسیب‌دیده بیش‌تر درارتباط با اشعه فرابنفش و نور خورشید است. کشف زیر و بم این واکنش شیمیایی به استفاده از ابزارهای تجزیه‌ای به‌همراه استفاده از اشعه ایکس سینکروترون در ESRF در گرنوبل (فرانسه)، نیاز دارد که این دو، پاسخ‌های نهایی را ارائه می‌دهند. این آزمایش تحقیقات صحنه جرم خوانده شده است. دانشمندان از پرتوی اشعه ایکس با ابعاد میکروسکوپی استفاده کردند تا واکنش شیمیایی پیچیده‌ای را که در لایه فوق العاده نازکی که محل ادغام رنگ نقاشی با جلا است، آشکار کند . نور خورشید می‌تواند تنها چند میکرومتر به داخل رنگ نفوذ کند، اما در همین فاصله کوتاه، یک واکنش شیمیایی که تاکنون ناشناخته مانده بود، را راه می‌اندازد که این واکنش رنگ زرد کرومی را به رنگ قهوه‌ای تبدیل کرده و رنگ اصلی نقاشی را تغییر می‌دهد. این واقعیت که رنگ کروم زرد در زیر نور خورشید تیره می شود از اوایل قرن 19 شناخته شده است. از آنجا که رنگ زرد کرومی سمی است، هنرمندان در دهه 50 به سرعت به گزینه‌های جدیدی روی آوردند. برای حل یک معمای شیمیایی حدودا 200 ساله، تیم Janssens از یک راهکار دو مرحله‌ای استفاده کرد: در مرحله اول، آنها نمونه‌هایی از سه لوله رنگ قدیمی باقی‌مانده جمع‌آوری کردند. بعد از اینکه این نمونه‌ها به مدت 500 ساعت با استفاده از لامپ فرابنفش به‌طور مصنوعی به سن‌شان اضافه شد، تنها یک نمونه از یک لوله رنگ (1913-1882) تیرگی قابل توجهی نشان داد. در عرض سه هفته، سطح آن لوله از زرد روشن (رنگ اولیه نمونه) به قهوه‌ای شکلاتی تبدیل شد. این نمونه به عنوان بهترین کاندید برای انجام واکنش شیمیایی حیاتی انتخاب شد. تجزیه و تحلیل اشعه ایکس پیشرفته، ارتباط تیره شدن لایه بالایی با کاهش کروم در رنگ زرد کرومی از Cr VI به Cr III را مشخص کرد. در مرحله دوم، دانشمندان با استفاده از همین روش‌ها، نمونه‌هایی از مناطق آسیب‌دیده دو نقاشی ون گوگ را به نام‌های View of Arles with Irises (1888) و Bank of the Seine (1887) ارزیابی کردند که هر دو این نقاشی‌ها در موزه ون گوگ در آمستردام به نمایش درآمده‌اند. الا هندریکس از موزه ون گوگ آمستردام می گوید: «این نوع تحقیقات برای پیش‌برد درک ما در مورد چگونگی کهنه شدن نقاشی‌ها و نیز نحوه نگهداری آن‌ها برای نسل‌های آینده، بسیار ضروری است.» از آن‌جا که مشخص کردن مناطق تحت تاثیر واقع شده در این نمونه‌های چندرنگی در مقایسه با یافتن نمونه‌های قدیمی مصنوعی دشوارتر بود، بنابراین باید از مجموعه‌ای از ابزارهای تجزیه‌ای استفاده می‌شد. به همین علت نیاز بود تا نمونه‌هایی به آزمایشگاه‌های سراسر اروپا فرستاده شود. نتایج نشان می‌دهد که واکنش کاهش از Cr VI به Cr III احتمالاً در دو نقاشی ون گوگ نیز اتفاق افتاده است. همچنین اشعه X میکروسکوپی نشان داد که کروم (III) به ویژه در حضور ترکیبات شیمیایی حاوی باریم و گوگرد، برجسته بود. براساس این مشاهدات، دانشمندان حدس می‌زنند که تکنیک ون گوگ در آمیختن رنگ سفید و زرد احتمالا دلیل تیره شدن رنگ زرد نقاشی‌های وی می‌باشد. تکنیک‌های مورد استفاده دانشمندان شامل پراش پرتوی ایکس به همراه طیف‌های مختلفی من جمله اشعه مادون قرمز، الکترونی و اشعه ایکس است. دو روش با استفاده از یک پرتوی اشعه ایکس در ESRF ترکیب شدند: XRF و XANES.

در تکنیک XRF ، با پرتو میکروسکوپی به اندازه (0.9 * 0.25 میکرومتر مربع) امکان جداسازی مطالعه مناطق تخریب‌شده و سالم را فراهم کرد و تکنیک XANES تغییرات کروم، یعنی کاهش از Cr VI به Cr III را ثابت کرد.

این دو نمونه‌ای که در این بخش ذکر شد، بخش کوچکی از کاربرد شیمی در دنیای پیرامون ماست و هر دانشجوی شیمی به فراخور علاقه خویش می‌تواند از علم خود استفاده کند.