شیمی و مرمت ساختمان

دید کلی
آثار فرهنگی هر کشور ، هویت مردم آن کشور و سرزمین است و نشان دهنده تمدن باستانی و روح علم و هنر در پدران مردم کنونی آن جامعه و فرهنگ غنی آنهاست. هنر ، عصاره روح جمعی هر تمدن است که در واقع تنها به خود هنرمند تعلق ندارد. در هنر هر دوره ، می‌توان افکار برگزیده و ارزشهای یک ملت را کشف کرد.
شیمی نقش بسیار مهمی در حفظ آثار فرهنگی و هنری باقیمانده از دوره های باستان دارد. برای حفظ این آثار ، باید قدمت آنها را بدانیم. یکی از روشهای شیمی در تعیین سن این آثار ، کربن ۱۴ است.

تاریخچه استفاده از ایزوتوپ کربن ۱۴
از چهار دهه پیش تاکنون ، روش سالیابی کربن ۱۴ تنها روشی است که با آن ، سن نمونه‌های کربن‌دار ، تخمین زده می‌شود.

هدف آزمایشگاههای کربن ۱۴
هدف این آزمایشگاهها ، سالیابی تعیین میزان کربن ۱۴ نمونه موردنظر است که در نهایت ، این مقدار کربن به یک سن از آن اثر تاریخی ، ترجمه می‌شود.
کربن ۱۴
کربن ۱۴ ، رادیوایزوتوپ (ایزوتوپ سنگین) عنصر پایدار کربن است که با تشعشع بتای منفی ( ) ، تبدیل به نیتروژن ۱۴ می‌شود. انرژی بتای منفی حاصل ، ۰٫۱۵۶ میلیون الکترون ولت به ازای هر مول است:
۱۴۶C+β-→۱۴۷N+e
چگونگی تولید کربن ۱۴
در ارتفاع ۶ تا ۱۵ کیلومتری جو زمین ، بر اثر برخورد اشعه کیهانی به اتمسفر زمین ، نوترونهایی با انرژی زیاد تولید می‌شود. وقتی انرژی نوترونها بین ۰،۴ تا ۱،۶ میلیون الکترون ولت باشد، با برخورد به اتمهای نیتروژن ، کربن ۱۴ ایجاد می‌کنند:
۱۴۷C+n → ۱۴۶C+n
منابع ورود کربن ۱۴ به جو ز

مین
اتمهای کربن ۱۴، پس از تشکیل به سرعت با اکسیژن ، ترکیب و به صورت ۱۴CO2 ، در فضا منتشر می‌شود و از طریق سه منبع وارد ذخیره جهانی کربن در کره زمین می‌شوند. این سه منبع ، عبارتند از :
واکنش با آب‌های سطحی اقیانوسها و انتقال به آب‌های عمیق‌تر و انتقال به چرخه حیات آبزیان ، فتوسنتز و ورود به ساختار گیاهان و نهایتا” تغذیه حیوانات علفخوار و گوشتخوار و انتقال به بدن حیوانات و انسانها. تخمین زده می‌شود که تولید کربن ۱۴ در اتمسفر در وضعیت موازنه با تجزیه پرتوزای آن قرار دارد. در نتیجه ، کل ذخیره کربن ۱۴ کره زمین مقدار ثابتی است.

این پیش‌بینی را نخستین بار ، شخصی به نام “لیبی” (۱۹۴۹) به اثبات رساند. او با اندازه گیری نمونه های متان موجود در فاضلاب شهر بالتیمور و سپس چوب زنده ، صدفهای دریایی که به تازگی تشکیل شده اند و برخی از ارگانیسمهای دیگر به مقدار ثابتی از کربن ۱۴ دست یافت.

چگونگی تعیین عمر یک ارگانیسم مرده
وقتی یک ارگانیسم زنده می‌میرد، اتمهای بخشهای آلی آن از چرخه طبیعی مواد (تغذیه و دفع مواد) خارج می‌شوند. در نتیجه ذخیره کربن ۱۴ ارگانیسم مرده در وضعیتی منفک از ذخیره کل رادیوایزوتوپ جهانی قرار می‌گیرد و طی فرایند تلاشی با نیمه عمر ۳۰ ± ۵۷۳۰ سال مقدارش کم و کمتر می‌شود. این کسر مقدار در آثار تاریخی در مقایسه با مقدار ثابت امروزی ،‌ نشان می‌دهد که چه مدت از مرگ ارگانیسم موردنظر گذشته است.

مثلا در هنگام مقایسه یک نمونه قدیمی و یک نمونه جدید ، با توجه به نیمه عمر کربن ۱۴ که ۵۷۳۰ سال است، میزان کربن ۱۴ نمونه قدیمی با نمونه جدید مقایسه و سن نمونه محاسبه می‌شود. مثلا در یک نمونه سیستم سالیابی ، محدوده زمانی ۴۰۰ الی ۵۰۰۰۰ را سالیابی می‌کنند.
سیستم سالیابی کربن ۱۴
سیستم سالیابی کربن ۱۴ (موجود در پژوهشکده حفاظت و مرمت آثار فرهنگی ایران) بر پایه سالیابی با بنزن است. به این صورت که کربن ماده آلی موردنظر به بنزن تبدیل می‌شود. برای این کار ، نخست ماده آلی در کوره ای مجهز به تعدادی تله شیشه‌ای که برای جمع آوری CO2 تعبیه شده، می‌سوزد.
تله‌های شیشه‌ای آغشته به سود ، CO2 حاصل را جذب می‌کنند و به همراه NH4Cl و BaCl2 سیر شده ترکیب می‌شود، رسوب باریم کربنات حاصل ، وارد سیستم سنتز بنزن می‌شود و سرانجام مقدار کربن ۱۴ بنزن از طریق اندازه‌گیری پرتوهای بتای منفی بوسیله شمارشگر سوسوزن مایع ، محاسبه و با نمونه استاندارد مقایسه می‌شود.
خوردگی فلزات درآثارباستانی
خوردگی ، ( Corrosion ) ، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها می‌‌باشد. خوردگی ، پدیده‌ای خودبه‌خودی است و همه مردم در زندگی روزمره خود ، از بدو پیدایش فلزات با آن روبرو هستند. در اثر پدیده خودبه‌خودی ، فلز از درجه ‌اکسیداسیون صفر تبدیل به گونه‌ای با درجه ‌اکسیداسیون بالا می‌‌شود.
M ——> M+n + ne
در واقع واکنش اصلی در انهدام فلزات ، عبارت از اکسیداسیون فلز است.
تخریب فلزات با عوامل غیر خوردگی
فلزات در اثر اصطکاک ، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب می‌‌شوند که تحت عنوان خوردگی مورد نظر ما نیست.
فرایند خودبه‌خودی و فرایند غیرخودبه‌خودی
خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد. البته M+n می‌‌تواند به حالتهای مختلف گونه‌های فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می‌‌زند که یک نوع خوردگی و پدیده‌ای خودبه‌خودی است. انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز می‌‌توانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند. پس در اثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیده‌ای خودبه‌خودی است، اشکال مختلف آن ظاهر می‌‌شود.

بندرت می‌‌توان فلز را بصورت فلزی و عنصری در محیط پیدا کرد و اغلب بصورت ترکیب در کانی‌ها و بصورت کلریدها و سولفیدها و غیره یافت می‌‌شوند و ما آنها را بازیابی می‌‌کنیم. به عبارت دیگر ، با استفاده ‌از روشهای مختلف ، فلزات را از آن ترکیبات خارج می‌‌کنند. یکی از این روشها ، روش احیای فلزات است. بعنوان مثال ، برای بازیابی مس از ترکیبات آن ، فلز را بصورت سولفات مس از ترکیبات آن خارج می‌‌کنیم یا اینکه آلومینیوم موجود در طبیعت را با روشهای شیمیایی تبدیل به ‌اکسید آلومینیوم می‌‌کنند و سپس با روشهای الکترولیز می‌‌توانند آن را احیا کنند.
برای تمام این روشها ، نیاز به صرف انرژی است که یک روش و فرایند غیرخودبه‌خودی است و یک فرایند غیرخودبه‌خودی هزینه و مواد ویژه‌ای نیاز دارد. از طرف دیگر ، هر فرایند غیر خودبه‌خودی درصدد است که به حالت اولیه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اولیه یک مسیر خودبه‌خودی است. پس فلزات استخراج شده میل دارند به ذات اصلی خود باز گردند.
در جامعه منابع فلزات محدود است و مسیر برگشت طوری نیست که دوباره آنها را بازگرداند. وقتی فلزی را در اسید حل می‌‌کنیم و یا در و پنجره دچار خوردگی می‌‌شوند، دیگر قابل بازیابی نیستند. پس خوردگی یک پدیده مضر و ضربه زننده به ‌اقتصاد است.

جنبه‌های اقتصادی فرایند خوردگی
برآوردی که در مورد ضررهای خوردگی انجام گرفته، نشان می‌‌دهد سالانه هزینه تحمیل شده از سوی خوردگی ، بالغ بر ۵ میلیارد دلار است. بیشترین ضررهای خوردگی ، هزینه‌هایی است که برای جلوگیری از خوردگی تحمیل می‌‌شود.
پوششهای رنگها و جلاها
ساده‌ترین راه مبارزه با خوردگی ، اعمال یک لایه رنگ است. با استفاده ‌از رنگها بصورت آستر و رویه ، می‌‌توان ارتباط فلزات را با محیط تا اندازه‌ای قطع کرد و در نتیجه موجب محافظت تاسیسات فلزی شد. به روشهای ساده‌ای می‌‌توان رنگها را بروی فلزات ثابت کرد که می‌‌توان روش پاششی را نام برد. به کمک روشهای رنگ‌دهی ، می‌‌توان ضخامت معینی از رنگها را روی تاسیسات فلزی قرار داد.
آخرین پدیده در صنایع رنگ سازی ساخت رنگهای الکتروستاتیک است که به میدان الکتریکی پاسخ می‌‌دهند و به ‌این ترتیب می‌توان از پراکندگی و تلف شدن رنگ جلوگیری کرد.

 

پوششهای فسفاتی و کروماتی
این پوششها که پوششهای تبدیلی نامیده می‌‌شوند، پوششهایی هستند که ‌از خود فلز ایجاد می‌‌شوند. فسفاتها و کروماتها نامحلول‌اند. با استفاده ‌از محلولهای معینی مثل اسید سولفوریک با مقدار معینی از نمکهای فسفات ، قسمت سطحی قطعات فلزی را تبدیل به فسفات یا کرومات آن فلز می‌‌کنند و در نتیجه ، به سطح قطعه فلز چسبیده و بعنوان پوششهای محافظ در محیط‌های خنثی می‌‌توانند کارایی داشته باشند.
این پوششها بیشتر به ‌این دلیل فراهم می‌‌شوند که ‌از روی آنها بتوان پوششهای رنگ را بر روی قطعات فلزی بکار برد. پس پوششهای فسفاتی ، کروماتی ، بعنوان آستر نیز در قطعات صنعتی می‌‌توانند عمل کنند؛ چرا که وجود این پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکم‌تر می‌‌سازد. رنگ کم و بیش دارای تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمی‌‌تواند از خوردگی جلوگیری کند.

پوششهای اکسید فلزات
اکسید برخی فلزات بر روی خود فلزات ، از خوردگی جلوگیری می‌‌کند. بعنوان مثال ، می‌‌توان تحت عوامل کنترل شده ، لایه‌ای از اکسید آلومینیوم بر روی آلومینیوم نشاند. اکسید آلومینیوم رنگ خوبی دارد و اکسید آن به سطح فلز می‌‌چسبد و باعث می‌‌شود که ‌اتمسفر به‌ آن اثر نکرده و مقاومت خوبی در مقابل خوردگی داشته باشد. همچنین اکسید آلومینیوم رنگ‌پذیر است و می‌‌توان با الکترولیز و غوطه‌وری ، آن را رنگ کرد. اکسید آلومینیوم دارای تخلخ

همچنین با پدیده ‌الکترولیز ، آهن را به ‌اکسید آهن سیاه رنگ (البته بصورت کنترل شده) تبدیل می‌‌کنند که مقاوم در برابر خوردگی است که به آن “سیاه‌کاری آهن یا فولاد” می‌‌گویند که در قطعات یدکی ماشین دیده می‌‌شود.

پوششهای گالوانیزه
گالوانیزه کردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهن و فولاد با روی است. گالوانیزه ، بطرق مختلف انجام می‌‌گیرد که یکی از این طرق ، آبکاری با برق است. در آبکاری با برق ، قطعه‌ای که می‌‌خواهیم گالوانیزه کنیم، کاتد الکترولیز را تشکیل می‌‌دهد و فلز روی در آند قرار می‌‌گیرد. یکی دیگر از روشهای گالوانیزه ، استفاده ‌از فلز مذاب یا روی مذاب است. روی دارای نقطه ذوب پایینی است.
در گالوانیزه با روی مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرار می‌‌دهند و با استفاده ‌از غوطه‌ور سازی فلز در روی مذاب ، لایه‌ای از روی در سطح فلز تشکیل می‌‌شود که به ‌این پدیده ، غوطه‌وری داغ (Hot dip galvanizing) می‌گویند. لوله‌های گالوانیزه در ساخت قطعات مختلف ، در لوله کشی منازل و آبرسانی و … مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

پوششهای قلع
قلع از فلزاتی است که ذاتا براحتی اکسید می‌‌شود و از طریق ایجاد اکسید در مقابل اتمسفر مقاوم می‌‌شود و در محیطهای بسیار خورنده مثل اسیدها و نمکها و … بخوبی پایداری می‌‌کند. به همین دلیل در موارد حساس که خوردگی قابل کنترل نیست، از قطعات قلع یا پوششهای قلع استفاده می‌‌شود. مصرف زیاد این نوع پوششها ، در صنعت کنسروسازی می‌‌باشد که بر روی ظروف آهنی این پوششها را قرار می‌‌دهند.
پوششهای کادمیم
این پوششها بر روی فولاد از طریق آبگیری انجام می‌‌گیرد. معمولا پیچ و مهره‌های فولادی با این فلز ، روکش داده می‌‌شوند.

فولاد زنگ‌نزن
این نوع فولاد ، جزو فلزات بسیار مقاوم در برابر خوردگی است و در صنایع شیر آلات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع فولاد ، آلیاژ فولاد با کروم می‌‌باشد و گاهی نیکل نیز به ‌این آلیاژ اضافه می‌‌شود.

دید کلی
اصولا از چند وجه می‌توان به گذشته که نماد آن میراث فرهنگی و آثار تاریخی است، نگاه کرد. یکی ، وجه تاریخی _ فرهنگی است، یا سرگذشت انسان گذشته که این کار را باستان شناس انجام می‌دهد. اما وجه دیگر که به همان میزان ، اهمیت دارد و شاید هم مهمتر ، مطالعه سیر تحول فن آوری در گذشته است. مثلا اینکه چگونه انسان توانست از کشف سنگ معدن مس به فن آوری امروزی برسد. مطالعه این سیر تحول ، حتما به فن آوری و علم امروز نیاز دارد.

ایران باستان و تولید آلیاژ
در ایران در هزاره سوم پیش از میلاد ، آلیاژ مس _ آرسنیک ساخته می‌شد، چیزی که امروز تولیدش مشکل است. چون آرسنیک ، شبه فلزی است که در دماهای نسبتا پائین ، یعنی حدود ۳۵۰ درجه سانتیگراد بخار می‌شود و علاوه بر آن ، بسیار سمی است. اما در ایران ، یک دوره نزدیک به هزار ساله داریم که این آلیاژ ساخته می‌شد. حل معمای تولید این آلیاژ ، تنها از طریق علم نوین شیمی و متالوژی ممکن است.

نقش شیمی در مرمت آثار فرهنگی
نقش شیمی در میراث فرهنگی ، یکی ، شناخت مواد و تشخیص سیر تحول فن آوری است. اما از آن مهمتر ، چیزی است که در دنیا تحت عنوان «Conserration Science» یا «پژوهشهای آزمایشگاهی در امر حفاظت» یاد می‌شود. ترجمه «مرمت» در زبان فارسی به معنی وصله – پینه کردن چند تکه و ترمیم و تهیه در ذهن است، در صورتی که مفهوم مرمت یک اثر تاریخی ، کاری است که یک پزشک در مورد بیمار انجام می‌دهد. همان کار را مرمت‌گر در مورد اثر تاریخی انجام می‌دهد.
اثر تاریخی ، ابتدا مطالعه عینی می‌شود که به آن مس

تندنگاری می‌گویند، سپس با استفاده از شیمی ، فیزیک و زیست شناسی نوع آسیبهای آن تشخیص داده می‌شود، یا آسیب شناسی می‌شود. آنگاه روشهای درمان که در مرمت به آن استحکام بخشی می‌گویند، شروع می‌شود که حاصلش ، طولانیتر کردن عمر اثر فرهنگی است.
مرمت اشیای فلزی
بسیاری از روشهایی که در مرمت بکار گرفته می‌شود، روشهای شیمی محض است. یک فلز ، چه آهن و چه مس ، در طول زمان در مقابل اقلیمی که در آن قرار می‌گیرد، دچار خوردگی می‌شود. خوردگی ، یعنی تبدیل شدن یک فلز به نمکهای فلزی بر اثر واکنشهای شیمیایی. این روند به خاطر حضور مداوم عوامل خوردگی و پتانسیل فعالی که این واکنش الکتروشیمیایی دارد، تا آنجا ادامه پیدا می‌کند که روزی تمام فلز به نمکهایش تبدیل می‌شود و به کلی از بین می‌رود. میزان خوردگی ، بسته به شرایط مختلف فرق می‌کند.
کار مرمت‌گر این است که اول ، روال خوردگی را قطع کند و دوم ، اگر ضرورت دارد، لایه های خوردگی را از روی فلز پاک کند و این هر دو ، از عهده شیمیدان برمی‌آید. مثلا در خوردگی برنز ، کلریدی که از خاک به لایه‌های درونی فلز نفوذ می‌کند، عامل اصلی یک رشته واکنشهای چرخه‌ای است که در طی آن ، Cu فلزی مرتب به ۲+Cu تبدیل می‌شود و صرفا به دور نگاه داشتن جسم در رطوبت و هوا ، روند خوردگی را قطع نمی‌کند.
در اینجا فقط شیمی محض است که مکانیسم خوردگی را تشخیص می‌دهد و در می‌یابد که عامل اصلی خوردگی در اینجا -Cl موجود در خاک است و تدابیری بکار می‌رود تا این -Cl را به صورت نمک پایدار محلولی از جسم فلزی بیرون بکشد. مثلا در این مورد خاص ، با غوطه‌ور کردن جسم فلزی در محلول سدیم سسکویی کربنات و نفوذ آن به قشر داخلی فلز ، ۲+Cu را به جسم پایدار کالکوناترونیت که نمک سسکویی و مس است، تبدیل کند و از این طریق ، کلرید که عامل اصلی است، به صورت نمک NaCl محلول از فلز خارج ش

ود.

مرمت کاغذ
کاغذهای قدیمی به مرور زمان ، اسیدی می‌شوند. اسیدی شدن کاغذباعث می‌شود تا کاغذ زرد شود، بپوسد و به تدریج از بین برود و نابود شود، ولی مرمت‌گر شیمیدان ، کاغذ را اسیدزدایی می‌کند و از این طریق ، عمر آن را بسیار طولانی می‌کند.