科学家揭示9世纪伊斯兰陶瓷纳米虹彩效应的化学奥秘

由巴塞罗那加泰罗尼亚理工大学(UPC)与欧洲同步辐射装置(ESRF)领衔的科学团队，成功揭示了9世纪伊斯兰陶瓷绘画中创造出独特闪烁虹彩效应的纳米颗粒化学反应。相关研究成果已公开发表在学术期刊《科学进展》(Science Advances)上。

早在现代纳米技术兴起前的多个世纪，9世纪阿拔斯王朝的陶工们就已能够制造出具有金色、红色、褐色或黄色等鲜艳色彩及金属光泽的陶瓷。这种创造出虹彩效应的技术始于阿拔斯王朝时期的近东地区，随后风靡整个伊斯兰世界。UPC教授、论文共同通讯作者崔妮塔特·普拉德尔(Trinitat Pradell)解释道，即便是今天，人们依然很难完美复现9世纪的这种独特效果，因此团队希望弄清施加在陶瓷表面的绘料究竟经历了怎样的化学转变。

为实现这种虹彩效果，古代工匠首先会在已上釉的陶瓷表面绘制含有银、铜等金属化合物的混合物。在后续的烧制过程中，这些金属元素从绘料扩散至玻璃质釉面并发生包括还原反应在内的化学变化，最终在釉面表层形成金属银和铜的纳米颗粒。这些颗粒并非简单地沉积在陶瓷表面，而是深深嵌入釉层之中，构成了纳米结构区域，其化学组成与微观形态共同决定了表面与光线的相互作用方式。

烧制过程中的化学反应至关重要。陶瓷最终的呈色与光泽并不单单取决于绘料中是否存在银或铜，而是取决于它们与釉层中其他元素之间复杂的相互作用。特别是铜与银的相对含量，直接影响了烧制期间发生的化学反应，进而决定了金属纳米颗粒的形成与尺寸特性。

UPC团队与ESRF的马琳·柯特(Marine Cotte)及其同事合作，利用ESRF的ID21线站以及ALBA同步辐射装置的X射线光谱、X射线荧光和X射线衍射技术，对这些古老材料进行了深层次分析。研究人员指出，微米级精度的光束以及对铁、铜、银元素的定向研究对于揭开光彩层的化学机理至关重要。

研究发现，这种金属光泽是通过烧制过程中的离子交换机制获得的。在此期间，铜和银离子从绘料扩散入釉层并置换出碱金属离子。为顺利完成这一过程，烧制温度必须精确控制在玻璃化转变温度与釉料软化温度之间，从而在促进离子扩散的同时，防止外层绘料粘连在釉面上。

研究结果还表明，不同光泽颜色之间的成分与微观结构差异，主要源于绘料中铜和银的相对配比。釉面附近银和铜物种及纳米颗粒的浓度，不仅由绘料本身的铜银比例控制，还受两者之间相互反应的调节，它们共同决定了纳米颗粒的类型、数量、分布及尺寸。

谈及后续的研究规划，ESRF科学家、论文共同通讯作者马琳·柯特表示，本次研究是通过分析历史陶瓷微小碎片完成的，下一步团队将制作并分析模拟样品，以区分各项生产参数带来的具体影响，同时还将探索铁、锡等其他金属在这一古老工艺中所扮演的角色。