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走进科技考古研究,谈与科学仪器的故事——访上海光学精密机械研究所科技考古中心李青会研究员

仪器信息网 2019/12/13 09:36:33 点击 2626 次
行业专家采访
[导读] 采访中,李青会畅谈了自从事近二十年的科技考古工作,并为我们揭开了它神秘的面纱,包括与科学仪器等科技手段之间的故事。

  在“洛阳铲”、“分金定穴”、“摸金校尉”等荧屏印象之下,大众眼中,考古充满着神秘的色彩,是一个不折不扣的文学类学科。实则不然,考古自诞生以来,就与自然科学及科技手段有着密不可分的关系。改革开放以后,随着考古仪器设备的不断发展和多学科合作观念的深入,中国的科技考古逐步进入快速发展阶段。

  在科技考古界分支——硅酸盐质文物研究领域,尤其是古代玻璃研究,有家机构不得不提,那就是上海光学精密机械研究所(以下简称“上海光机所”)。由于上海光机所较早介入该领域且积累了一系列优秀成果,在国内只要从事古代玻璃相关研究工作,就几乎很难避免引用上海光机所的相关成果。而仪器信息网本次采访的主人公——李青会研究员,就是在这里与科技考古结缘。采访中,李青会畅谈了自从事近二十年的科技考古工作,并为我们揭开了它神秘的面纱,包括与科学仪器等科技手段之间的故事。

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上海光学精密机械研究所科技考古中心李青会研究员

  在内容展开之前,我们首先对李青会的研究领域分支做一个简要介绍。

  李青会博士期间师从我国光学材料、非晶态物理学家干福熹院士,目前主要以丝绸之路(草原丝绸之路、绿洲丝绸之路、西南丝绸之路、海上丝绸之路)为主线,利用现代的分析技术(主要采用无损/微损分析技术,基于光学和光谱学技术构建文物的科学表征体系),研究丝绸之路沿线地区出土的相关文物材料。研究文物材料主要聚焦在无机材料中的古代硅酸盐材料(如玻璃、陶瓷、玉器、硅酸盐类颜料等)。研究内容是在系统整理古代玻璃、古代玉器等出土文物的历史文化背景材料基础上,与国外同时期或相近时期同类文物进行比较研究,将古代硅酸盐质文物的材料属性、加工工艺、产地和溯源研究、病害特征等物质属性研究与文物的社会属性研究有机结合,以求对古代社会生活、经济发展,以及相关的国内各地区间及中、外文化、技术交流有深入认识。

结缘近20年:与科技考古的故事

  学科前序:干福熹院士与古代玻璃科技考古

  20世纪50年代,干福熹院士最初加入中科院时,从事的是两大学科的研究:理学下的光学和凝聚态物理、工学下的材料科学与材料物理化学。

  1959年,干福熹在苏联考察期间,与苏联著名古代玻璃科学家Besbrodov教授交流,Besbrodov教授曾问干福熹,“人们都在讲中国古代玻璃是公元6-7世纪从西方传入的,中国发明瓷器很早,为什么不会制造玻璃?” 干福熹当时对中国古代玻璃一无所知。但回国参观中国历史博物馆时,看到了战国时代的蓝色“琉璃”,干福熹便产生了一个想法,如果这是玻璃,那么中国古代玻璃产生的时间就更早了。从此,干福熹对中国古代玻璃产生兴趣并密切关注。此后,他在1964年和1979年先后两次拜访剑桥大学Joseph Needham教授,并获得中国洛阳金村古墓的玻璃成分与西方古代玻璃完全不同的信息。这更激发了干福熹对中国古代玻璃研究的兴趣,于是其研究领域进一步跨入了科技考古学中。

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2012国际古代玻璃学术研讨会

  干福熹认为,科技考古的目的是保护历史文物和进行文明探源。在后来的学术研究中,干福熹成果丰硕,并多次主持了关于古代玻璃研究的国际研讨会,为中国古代玻璃研究作出了重要的贡献。

  2002年,师从干福熹院士的李青会完成了博士学位,并开始协助干福熹进一步开展古代玻璃研究。由此缘起,李青会开启了他科技考古近20年的研究工作。

  缘起缘续:与科技考古这20年

  2002年,李青会师从干福熹院士完成博士学位后,开始迈入科技考古领域,这近20年的科技考古研究工作历程,大致可以用两个转变来概括,即从兼职到全职;从以化学成分特征分析等简单自然科学手段解决科技考古问题,到将文物历史背景、着色工艺、制作工艺等文物学、历史学与自然科学相融合方式来解决科技考古问题。

  2002年开始,李青会由于人手不足,同时还要进行存储材料相关技术研究,古代玻璃相关的科技考古研究工作只能作为副业兼着做。到2004年前后,随着干福熹院士主导举办的一系列古代玻璃相关学术会议与论坛的开展,历史领域、科学技术领域、考古学领域等交叉领域专家开始不断交流与合作。此时,上海光机所与国内考古研究所、博物馆等相关文博单位也逐渐建立起联系,并开展了一系列合作。这样,科研机构与文博单位从两个相互独立的学科单位,经过合作研究中的不断磨合,互相关注各自需求,逐渐形成了合作共享的良好关系。经过一段时间的积累,上海光机所目前已经与国内大部分文博单位进行了合作。

  2007年,李青会前往东京理科大学访学,同时参与两个课题方向,一是仪器开发(下一代扫描电镜系统、TES能谱仪等的开发及应用),二是科技考古。在之前五年科技考古研究经验与考古学家的合作积累下,李青会感到新的研究方向更加得心应手。随着科技考古研究的逐渐深入,李青会也逐渐认识到,他所从事的古代玻璃研究,若仅仅做化学成分特征研究,只是纯粹的数据获取,并不能更好的解决考古问题。于是,基于古代玻璃特色及与现代玻璃的区别,他将着色工艺、制作工艺等也逐渐列入到研究内容中,希望能更好的协助科技考古研究。

玻璃珠.jpg

随州擂鼓墩M1(曾侯乙墓)出土的战国早期玻璃珠

  2009年,李青会回国。此时,随着团队与科研力量的加强,他便逐渐专职开展科技考古工作,并在研究过程中认识到,在利用仪器检测手段获取广泛数据基础上,还需进一步解决考古学术问题,使得科技考古研究更加知其所以然、有据可依。比如对出土器物进行研究,要结合考古学对墓葬的背景材料或其他相关器物的认识,把古代玻璃研究得出的结论与考古学得出的结论进行比对才可以,这样就相当于利用成分分析等科技手段获得的补充数据去解决考古学的问题。

玻璃珠研究.jpg

  著名的“蜻蜓眼玻璃珠”拉曼光谱现场测试照片

(有文献记载“遂候以要做珠”,大家普遍认为曾侯用的这个“珠”可能是国产玻璃。但李青会团队通过结合这批玻璃器皿的乳浊、着色特征还有成分体系(利用拉曼光谱),证明这批玻璃珠由西方输入,而且很可能就在地中海东岸地区生产)

神秘科技考古背后:多学科交叉与融合

  干福熹院士曾表示,科技考古要人文科学与自然科学相结合,要做无损分析,要不断改进研究方法,中国考古的成果要拿到世界的环境下对比。正如所言,科技考古的多学科融合,在上海光几所科技考古中心不仅体现在自然科学与历史学、文物学等人文科学的融合,也体现在团队人才培养的“文理全才”。

  科技考古的升级——多学科融合

  据了解,上海光机所科技考古中心采用的自然科学与考古学、历史学领域的文理交叉融合研究的方法,在国内是比较成功的,也是比较先进的。学科融合不仅体现在学术上的相互借鉴,更体现在科技考古工作中与考古学家或历史学家的交流。通过彼此的借鉴与交流,科技考古便从单纯的数据获取为主,升级到满足自然科学与人文科学双方的需求,从而实现真正的学科融合。

  李青会表示,“我们是用现代科学技术分析古代材料,实际上从学科角度来说,它就是一个材料学的一个研究思路和一个科学分析仪器方法选择的问题。而解决完材料学研究思路与仪器选择后,融合人文科学进一步研究,才能让自然科学获得的数据在科技考古中获得真正意义。“

  学科的融合对科技考古意义重大,比如分析器具的来源问题,就需要对器具的器形纹饰特征和科技的结论结合起来。法门寺地宫里面有一套玻璃茶托和茶盏,在当时没有科技考古检测情况下,由于唐代盛行喝茶,有瓷器,所以大家认为这两种玻璃是国产的。但李青会团队对样品检测后,发现这两种玻璃都是从西方输入的伊斯兰玻璃,并不是国产的。

  多元融合下的特殊需求——“文理全才”

  上海光机所之所以较短时间内在科技考古领域取得不错的成绩,除了光机所在仪器开发应用方面的优势,在人才培养方面重视“文理全才”也是一个重要因素。

  据介绍,科技考古团队的研究生都是理工类出身,他们在仪器应用方面就具有了一定优势。同时,科技考古研究组与其他小组还有一个很大的不同,就是内部主导的科研数据都是研究人员自己获取,而不是交给测试员。另外,研究人员基本上都要接触文物,所以无论之前是学光学的还是学材料或分析的,每个人最终都要补上考古历史的知识,与检测样品相关的考古历史学背景知识都要增强。这就相当于团队中每个人都需要走完样品检测、样品历史背景资料了解,检测和数据的解析等全部流程,需要从头到尾参与,而不是每人只负责其中的某个流程,这就要求研究人员必须成为科技考古的“文理全才”。

科技考古与科学仪器那些事

  科技考古实验室的仪器“很忙”

  李青会表示,科学仪器对于科技考古十分重要,是获取数据信息的主要工具。“除了节假日,我们的仪器基本是保持开机状态的,使用十分频繁。对于我们来说,古代玻璃研究的每一项检测都需要信息,如果某个仪器一周不能工作,相当于我们研究的许多数据获取就停滞了。所以,实验室的仪器基本上一年都在工作状态中。”

  科技考古都用哪些仪器?与其他领域有啥不一样?

  由于科技考古的样品对象比较特殊,比如相对完整的文物或者级别比较高的文物,这样的样品不能随意损坏或丢弃,所以我们对仪器技术就有了一定的要求,尤其越珍贵的文物样品,我们所选择的仪器检测技术局限性就越大。上海光机所科技考古中心经过经过多年的系统调研和实践应用,最终总结出来光学和光谱分析技术(包括需要取样、无损的,或只需要少量,比如激光剥蚀等)是比较适合的检测技术。

  李青会表示,“我们实验室应用最广泛的仪器,主要是化学成分分析类的,因为无论是无机质文物、金属还是非金属,要测合金比例或玉石的元素组成等都涉及到成分分析。对于古代玻璃无机材料,最普遍的还是能量色散型X射线荧光光谱仪,因为这种仪器即可以是大型的,也可以是便携的,比较实用。”

  上海光机所利用自身在光学仪器研发方面的优势,逐渐将一系列以往在材料科学领域的科学仪器检测方法系统地引入到科技考古行业中,并从基础研究到推广应用都做了大量工作,比如推动激光拉曼技术、光学相干断层扫描(OCT)技术等的大面积应用和组合使用。

  那么,科技考古的科学仪器应用与其他领域有什么不同呢?

  首先看看检测流程。检测流程往往影响最终的获取信息,比如陶瓷做热释光,由于外界辐射对其影响较大,检测流程就需要先做热释光,再做X射线荧光成分分析,顺序颠倒就会对后期释光剂量有影响。

  定量标准也不同。由于文物样品特殊性,许多材料需要针对不同物质做相应定量标准,这就涉及到基础标准物质的研发,或者是校准方法的制作。因为只有统一的标准参考样品,才能和别人的数据共享。另外,仪器中若没有古代颜料等样品对应的数据库选择,还需要去做数据库图谱管理工作。

  科技考古仪器选购、应用二三事

  所谓科技考古仪器的选购,就是根据考古科技的实际需求,选择现有的或进行一定改进的仪器设备,并在实践应用中摸索出合理的技术方法的组合。李青会认为,“选择适合的仪器方案,并不是越高端越好。为了减少国家科技资源浪费,我们在购买仪器设备之前,至少在已经配置相关产品的三家以上单位,拿样品去做测试评估。”

李老师研究.jpg

李青会老师与XploRA™

  比如拉曼光谱仪(XploRA)的引进,在引进前,相关文物材料的结构分析是由粉末X射线衍射仪(XRD)承担的。虽然XRD分辨率很高,但对粉末样品百分含量有要求,比如5%或以下就探测不出来,这对文物检测是很不方便的。而且XRD对于大尺寸样品也受样品槽的限制。而显微拉曼光谱技术则有微区分析、灵敏度高、无损等优势,可分析小量样品,甚至是微量样品,这对考古类珍贵样品分析来说是至关重要的。

  在仪器附加功能的选配方面,也需要根据需求选配。李青会讲到“还以XploRA为例,起初实验室使用的是其反射照明模式观察和定位样品,在与HORIBA产品人员的一次交流中,了解到了XploRA的透射照明模式,在增加了该透射功能后,对于半透明和透明的样品,如宝石内部的包裹体特征就很容易观察清楚,从而可以方便地对样品内部细节进行表征。而XploRA的另外一个特色——针孔共聚焦功能,可以获取亚微米级别的空间分辨率,对于不能破损、透明或半透明的样品,激光能穿透到特定样品深度,获取该深度的样品信息,实现样品内外层组成物相的差异分析,特别是对需要分析分层范围、分层厚度在仪器共焦范围(亚微米)之内的时候,这个功能十分管用。”

关于中国科技考古发展

  中国科技考古现状:蓬勃发展

  李青会表示,党的十八大以来,习近平总书记高度重视文化自信这一更基本、更深沉、更持久的力量,并多次就传承中华优秀文化发表重要讲话,而文物又是历史文化信息的一个重要载体。在国家高度重视下,我国有越来越多的高校开设了科学技术史、文化遗产,或文化遗产保护等相关学科,去年就增加约六七十所,比如浙江大学、复旦大学、上海交通大学等。

  相关人才得到培养的同时,国家还在省一级博物馆、考古所等投入大量资金,大大提高了科研设备硬件水平,如许多综合类的科研设备都达到了千万元级别。从硬件条件方面,我国已经赶上甚至超过国外水平,包括相关高校院所相关文物研究设备条件在国际上都是不弱的。

  这些都说明我国科技考古正处于蓬勃发展的时期。

  我国科技考古发展的一些建议

  虽然我国科技考古呈现繁荣发展景象,但也存在一些不足。李青会也就此谈了一些看法和建议。

  人才缺乏导致仪器利用率低。由于文物单位相关工作人员,有的是文科背景出身,有的是仪器等理工背景出身,这就需要把他们培养成即懂文物本身,又懂仪器等科技方法的综合人才,这是比较难的,国内整体上也比较缺乏此类人才,这也直接导致了科学仪器利用率不高,造成一定资源闲置浪费等问题。而提高一系列供应效率,集中人员、技术、仪器装备等力量共享利用就是一个很有效的方案。欧美在这方面做的就比较好,集中人才、仪器设备等各方力量开展研究,在一些重要的文化遗产保护或科技考古研究中就发挥了重要作用。

实验室介绍.jpg

李青会老师介绍实验室

  文物监管比较严。我国的现状是,往往文物越珍贵,监管的就越严。在文化遗产对社会资源敞开研究程度角度讲,我国与国外还有差距。虽然我们也在开放方面采取一些措施,但总体来讲,在资源公众开放利用,加强其价值方面,我们还是比国际发展的步调要缓慢,在此方面,我国还要做更多努力。


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