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初探文物保护领域的科学问题

摘  要:文物保护研究与实践中遇到的问题可分为三大类,即科学问题、技术问题与工程问题。其中,科学问题是不同文物间共有的原理性问题,是解决技术问题的基础。科学问题的解决,对完善文物保护学科基础理论体系,整体化、全面化保护文物以及传承创新传统工艺具有重要意义。文物保护领域的关键科学问题有三,一是文物实体老化脆弱机理研究;二是保护材料与文物实体材料作用机理研究;三是保护效果的科学评价。三者之间存在着紧密的逻辑关系。在文物的实体加固中,这三个问题得以充分体现,从研究文物材质的脆弱原因入手,在明确文物实体脆弱机理的基础上,根据文物实体材料的结构与性能,以及文物实体材料和保护材料的作用,进而探究保护材料的筛选与保护方法的确立,经过多因素协同作用下文物实体的健康测评,才能判断保护效果是否实现了文物保护的三大目标——维持文物的稳定性、保证文物的真实性、维护文物的完整性。此外,我国传统工艺源远流长,多项技艺入选国家级非物质文化遗产,但其中存在着大量被忽视的科学问题,影响了传统文化的科学传承与发扬。由此可见,深入研究文物保护领域的科学问题,对解决文物保护中的关键技术难题起着至关重要的作用。


关键词:科学问题;技术问题;文物保护;文物实体;传统工艺科学化


引 言


文物保护是通过各种理化技术,在明晰文物实体材料的理化性能、内部结构、老化病害机理的情况下,利用科学的手段祛除文物病害、保持或恢复文物原状、维护文物真实性和完整性、增强文物稳定性、延长文物寿命的一系列动作。而在文物保护的研究与实践中,工作者们常遇到各式各样的难题,如污染物的清除、脆弱文物的加固、文物修复材料的选择等。这些问题,总体可归为三类,即科学问题、技术问题和工程问题。


科学问题,是文物保护中的基础性问题,也是需要从理论层面研究和解决的认识论问题,是发现文物材料变化规律,提出相应理论,从而认识与解释文物保护,并阐明为什么这样做的指导性问题。如文物实体材料的理化性能、文物脆弱的老化机理、文物加固的理论依据与文物保护材料长期有效的依据等。科学问题涉及科学理论方面的内容,属于原理和共性层面,既是基本的科学问题,亦是认识论的问题。


技术问题,是以实际操作为主的方法论问题,是在文物保护实践中如何实施的问题。如清洗纸质文物的有色霉斑、饱水竹木漆器脱水、破碎瓷器的粘接修复、纺织品的防霉除菌、糟朽皮革的加固等[1],这些实践问题都归属于技术问题的范畴,其目标是追求达到某种保护效果。


工程问题,是文物保护中组织、管理、实施等方面的整体性问题,小到如何将科学问题和技术问题整合解决,使其发挥最大效益,妥善完成保护工作;大到整个遗址保护中各个程序的先后次序、主次关系,以及文物保护过程中人员如何互相配合、协同工作,在指定时间内以少而精的人力物力科学、有效地完成文物保护工作,这些都属于工程问题。一般认为其研究对象在宏观尺度上远大于技术问题,涉及问题的数量与涵盖的要素也更多,具有较强的综合性,需要统筹考虑科学问题、技术问题与管理问题。


一、文物保护领域的科学问题、技术问题与工程问题


(一)文物保护三大问题之间的关系


就文物保护三大问题而言,科学问题是理论性、基础性的认识论问题;技术问题更偏向实际应用,是如何将理论付诸于实践的方法论问题;而工程问题则是组织、协调和管理的整体性问题。科学问题是解决技术问题的基础,只有获得了对文物的正确认识并指导文物保护的实践活动,才能取得成功,而对文物错误的认识则会将保护实践活动引向歧途,对文物造成损害。文物具有不可再生性,一旦保护不当就会对文物造成永久性、不可逆的损伤,因此只有明确其中的科学道理,才能为技术的选择提供依据;而在技术问题提出和解决的过程中,又会产生新的科学问题,二者相辅相成,辩证统一,推动文物保护实践活动的不断前进。严格意义上讲,科学问题是最基础、最本质的问题,技术问题的解决应基于科学问题的研究成果之上,只有在科学问题解决之后,所研发的技术方法才具有科学性、可靠性和广泛适用性。否则,技术方法只能停留在较为浅显的经验层面,而缺乏必要的科学依据。


工程问题则要体现文物保护工作中的整体性,是协调统一各个部分矛盾的问题。在文物保护工作中如何协调科学问题与技术问题的矛盾;如何统筹调配文物保护工作中的人力物力,使其高效有序地发挥最大效益;如何通盘筹划文物保护工作中各流程的顺序,使其最能满足实际需求等,此类要求统筹兼顾,具有综合性、系统性、整体性的问题一般被归为工程问题。在本文中不对工程问题作深入讨论。


科学问题与技术问题,是理论与实践的关系,是知识和行动的关系,知行合一,知中有行,行中有知,互为表里,相辅相成,两者如同一对矛盾。科学理论和问题从文物保护的实践工作中来,在解决科学问题,并积累大量正确认知的情况下,指导文物保护技术,才能使文物保护中的技术问题得以很好地解决。例如,在脆弱纺织品的保护过程中,应先对纺织品的保存现状、老化程度、病害机理、保护和修复材料的性能和机理等理论性问题作深入的探究,在积累坚实理论基础的前提下,科学地开展保护和修复工作,才能避免“保护性”损伤,从而有效地延缓文物寿命[2]。因此,在文物保护工作中多数情况下,科学问题对技术问题起着指导作用, 基于科学原理问题的解决,技术方案才能更合理有序地制定和实施。


由此可见,文物保护具有科学与技术的双重性,要解决文物保护的问题,无论是文物病害机理的研究,还是保护材料和工艺的选择,都需要建立在解决文物保护科学问题的基础之上。只有对科学问题有明确的把握,对文物的具体情况有充分的了解,才能避免在保护实施的过程中因认知不足、缺乏理论指导而造成对文物的损害。


(二)科学问题的重要性


文物保护中的科学问题主要包括:文物保护基础理论研究、文物实体材料的理化性能、文物实体材料脆弱老化机理、文物保护的理论依据与保护材料长期有效的依据等。研究科学问题是为了指导技术问题,只有具备了充分的理论支撑,才能科学地开展保护和修复工作,应杜绝仅凭经验主义对文物保护工作造成的不利影响。此外,在新型保护方法的研发中,对其所蕴含的科学问题作全面而深入的探究,可为该方法的可行性提供科学、可靠的依据,并有助于后期对该方法应用和推广,使同类型文物可以得到更为有效的保护。


综上所述,科学问题的重要性主要体现在以下几个方面:


其一,科学问题的突破,有利于文物保护学科基础理论体系的完善,有利于文物保护学科的进步与发展。由于我国文物保护行业起步较晚,专业人员少、从业人员复杂,文物保护以“技术性”为主,忽视了基础理论的研究,导致许多基础科学理论不明确,这些都制约了文物保护学科的发展。科学问题的突破,将进一步完善与发展现有的理论体系,从而改变过去行业内“以解决问题为思路,忽视对本质问题的思考”这一现象,以期极大提升文物保护领域的科学研究水平,为文物保护学科的发展添砖加瓦。


其二,明晰科学问题,有助于技术方法在实践中少走弯路,使得文物在免遭“保护性破坏”之上受到更好的保护。


过去文物保护从业人员研究技术问题时,通常是先制定一个技术方案,根据技术方案中要求的保护效果去筛选保护材料及实施工艺。然而在研究技术问题的过程中,往往忽视或极少涉及原理性研究,这就导致了实际操作中不少珍贵文物遭受“保护性破坏”。如上世纪著名的沧州铁狮子修复失败案例,始建于北周时期,堪称我国年代最久远、体积最大、形态优美的铸造工艺品铁狮子,在搭建凉亭、灌注硫磺合剂、灌注石灰等数次错误尝试后,其锈蚀与裂隙积重难返,最终不得不依靠数十根支架才能站立[3]。因此解决文物保护中的科学问题是文物得到有效保护的关键,保护技术只有建立在解答了科学问题的基础上,才是科学、可靠、可推广应用的,且能够具备长期稳定的保护效果。


其三,科学问题的阐释,有利于引导文物保护传统工艺和现代文物保护理论体系相融合,推动传统技术的传承与创新。


我国文物保护传统工艺源远流长,是脱胎于无数次实践的“经验科学”,有其独特的传承机制,但缺少基础理论支撑;而现代文物保护理论体系源自西方,兼收并蓄大量科学理论,但尚不完备,二者间仍然存在着一定的割裂。通过对文物保护传统工艺中科学问题进行阐释和研究,不仅可以有效填补二者间的空白,促进我国文物保护理论体系的进一步完善,而且可以推动传统技术继承与发展,使传统技术走向科学化,这无疑是一条双赢的道路。


二、文物保护领域的关键科学问题


关键科学问题不仅是指核心的科学问题,而且是影响到全局的纲领性、前沿性、可持续性问题,是行业创新的抓手。


文物保护领域的关键科学问题主要包括三个方面:即文物实体的老化脆弱机理研究、保护材料的性能研究、保护效果的科学评测。这三大关键科学问题,是文物保护的根本性问题,三者间存在着紧密的逻辑关系。在文物保护的过程中,应首先探究病害产生的原因,再对症下药,并对病因的判断进行检验与反思,最后评价治疗效果,层层递进、交融贯通。倘若不能妥善解决基础性问题,则将难以实现文物保护的科学性。


(一)文物实体老化脆弱机理研究


文物实体的老化脆弱机理研究,是对文物的病因,即实体脆弱、老化原因的诊断,只有找准了病因,才能对症下药。文物本身就是物质,而文物的物质性决定了文物不可能永久保存在世上,每件文物最终都会走向消亡。首先组成文物的各个材料间的相互作用会对文物造成影响,因此一件文物在生产的初期就已经很大程度上决定了它的极限寿命。例如,金银器比纺织品的材质更为坚固,因而更易于保存,而先天自带缺陷的文物相比其他同类文物更易损坏。外界的环境也会对文物的材料和结构产生重要影响,即便是同一墓葬出土的同一类文物,因其受到环境细微差别的影响,它们的老化脆弱程度也可能不同,因而产生的病害也会有所区别。


研究复杂因素超长期作用下文物实体的病害机理,就应对文物的材料、结构、内部情况,以及保存环境有细致的把握,同时这项工作也为研究文物的病害奠定基础。根据文物实体质点理论,可以将文物抽象地视为由一个个质点组成,由于不同文物实体组成的质点不同[4],文物的材质也会有所区别,因此可以对文物按质地进行分类,不同质地的文物,其材质理化性能各异。这些区别决定了对文物的研究要实事求是、因 “物”制宜。文物的环境是宏观的环境,对文物产生影响的外界因素都为“环境”,文物实体是一个开放体系,随时与外界的物质和能量发生交换[5],具体而言影响文物的环境因素主要有人为因素和自然因素,如在人为和自然因素影响下的温度、湿度、微生物、空气、光线、有害气体、有害颗粒物等。文物病害的产生与这些因素密切相关,所以不仅不同的文物病害不同,而且同一文物处于不同环境病害也不同。例如,西北干旱地区和南方潮湿地区出土的同时期竹木漆器,因环境差异其病害也有显著区别。


由此可见,文物实体的老化脆弱机理研究无疑是三大科学问题中最根本的问题,妥善解决好该问题,对于其他问题的解答具有纲领性作用。


(二)保护材料与文物实体材料作用机理研究


保护材料与文物实体材料作用机理研究,即依据文物实体病害的“病因”进一步研究治疗“药物”并“对症下药”的过程。其主要问题包括:为何选取此种特定的保护材料,保护材料与文物实体材料的相容性,新的保护材料、手段、程序是否在各个方面都优于原有方法等。要解答这些问题,就需要从保护材料自身的理化性质、保护材料与文物实体产生的反应、新保护材料的研发等方面着手。如石质文物长期暴露在外界环境中,使其极易受到有害气体、温湿度、风沙、降雨、盐的结晶与潮解、冰劈等物理化学作用的影响,从而产生裂隙、酥粉、可溶盐附着等病害。在石质文物保护中,因为有机硅树脂既有硅氧基又有烷基,利用有机硅处理石质文物表面,其毛细管壁通过有机硅氧烷中的硅醇和石质文物表面的硅醇发生脱水作用,使石质文物表面形成 “倒漏斗结构”——大口向内、小口向外,在毛细压力的影响下外部的水不能进入,而内部的水则可以逐步散出[6]。通过理论研究和论证,有机硅树脂的透水性、透气性使石质文物内的水分可以排出,又对外来的水汽有较好的抗水性,同时也具有耐老化性强、黏合性佳、成膜性好,具有可逆性,无色透明等特点,处理之后也几乎没有眩光,不会对文物本身和研究产生不利影响,因此,有机硅树脂可适用于石质文物的表面封护。由此可见,只有对症下药才可以科学地治疗文物的病害,倘若缺乏相关基础问题的研究,则文物可能会遭受难以挽回的二次损坏。


(三)保护效果的科学测评


保护效果的科学测评是指在科学地对文物实施保护以后,对保护后文物的现状进行评估,其内容包含:保护后文物的理化性能是否有所提升、微观结构上的缺陷是否得以修复、保护材料的服役期评测等。例如,以谷氨酰胺转氨酶/酪蛋白酸钠(TGase/SC)加固技术加固脆弱丝织品文物后[7],运用超景深显微镜、扫描电镜能谱(SEM-EDS)、色差仪、动态热机械(DMA)和傅立叶变换红外光谱(FT-IR)分析法对丝织品加固前后效果进行表征[8]。研究结果表明,TGase/SC加固技术与蚕丝蛋白具有较好的相容性,加固后文物外观形貌无显著变化,强度和柔软度有明显提升。这就科学地验证了TGase/SC加固技术是一种安全、有效的加固手段,该方法在脆弱丝织品上的成功应用为后期丝织品的保护及修复提供了重要的技术支撑[9]。由此可见,保护效果的判断需借助各种科学仪器和技术,来评价文物的稳定 性、真实性和完整性,并前瞻性地预测其在博物馆稳定环境中的剩余寿命。


三、文物实体加固中的科学问题


虽然文物种类多样、病害繁多,但在脆弱文物保护的流程中,实体加固都是必不可少的一个环节。大到整个土遗址,小到丝绸残片,为了使脆弱文物更长久稳定地保存下去,便于文物的研究和利用,维持文物稳定性、真实性、完整性,对文物进行加固都是必须的。下文以文物实体加固为例,分析前文所提及的三大关键科学问题在具体保护中的实际意义。


(一)文物实体材料脆弱问题


在文物保护研究开展之前,必须明晰文物脆弱的原 因。在文物质点模型理论中[10],所有文物实体的脆弱原因,都可以用质点的运动进行解释,而质点运动与所处的环境密切相关,在超长期多环境因素作用下,文物实体变得脆弱,失去了应有的力学强度。


文物实体由性质不同的质点组成,这些质点本身处在不停的运动之中,而外界环境又会影响其运动,因此文物实体就会产生老化现象,而老化到了一定程度就变成了脆弱状态。文物质点的运动有两种情况:一是文物质点位移,质点在文物实体中的相对位置原本是固定的,质点的运动也只能是在自身所处位置的一定范围内振动或转动,但当有外力作用时(环境作用),质点有可能离开原位置,运动到离原位较远的地方,也有可能逸出文物实体,造成质点位置缺失。如石质文物的溶蚀作用[11],就是水分子通过对文物实体中质点的拉力作用,使质点脱离文物实体。文物实体的裂隙和断裂是质点受拉伸力作用产生位移的结果,这种力可能来源于热胀冷缩、湿胀干缩或挤压等。文物的残破则是质点迁移出了文物实体,出现了质点空缺,产生破损。二是文物实体中的质点性质发生改变,这也和环境作用密切相关。如青铜器中的铜、锡、铅等质点在温湿度和大气环境等因素的影响下与氧发生反应,生成氧化铜、氧化锡、氧化铅等;再如纸张纤维素分子、丝绸蛋白质分子发生的降解反应等。由于产生了化学反应,质点发生性质变化,质点之间的作用力改变,导致文物实体脆弱。由此可见,文物实体脆弱的原因与文物实体质点的性质,以及在外界环境影响下的运动密切相关。文物实体材料是一个开放系统,无时无刻不在和外界进行着物质与能量交换,随着时间的增加,质点运动的混乱度不断增大,文物的病害不断涌现,最终造成了宏观上文物材料脆弱的现象。


因此,应对文物材料脆弱的主要方法有三:一是质点补缺,例如对裂隙石质文物进行灌浆加固,加固材料填补了原有缺失的石质文物质点[12];二是质点黏结加固,例如采用HPMC加固纸张,并在纸张中形成网状物质,将脆弱的纤维素分子黏结,以提高文物实体强度[13];三是质点还原与转变加固,例如将铁质文物上的铁锈用强碱溶液还原,将铁锈质点重新还原为铁质点,在青铜器的有害锈去除中,利用缓蚀材料与有害锈发生反应使其转变为相对稳定的铜络合物。


综上所述,外界环境作用对文物的影响很大,因而要尽量降低文物保存环境因素的波动幅度,避免剧烈波动打破脆弱的平衡状态,进而在文物保护理念和原则的指导下采用适宜的技术和方法使松散的文物实体结构趋于稳定,抑制、减缓质点改变和位移对文物实体造成的损害,提升文物的强度。


(二)文物实体加固的依据问题


文物实体质点在其自身和周围环境影响下会不断运动,造成质点改变、质点间距离增大,以及质点逸出等问题,使文物变得脆弱。对应不同的情况,进行具体分析后,可采取质点还原与转变加固、质点黏结加固、质点补缺等几种方法进行加固[14]


加固的材料和方法是多种多样的,当文物实体质点发生改变急需进行加固时,应当选取一种最适合、最高效的方法。文物的不可再生性决定了对其进行的任何保护工作都会对文物实体产生影响,文物的脆弱性也无法支持保护操作和保护材料的频繁变动,文物的多样性更要求不同文物、病害在处理方法上的差异,假若中途改变加固流程和加固材料都会对文物实体产生不可逆的影响,所以加固材料的性能研究显得尤为重要。例如,利用半胱氨酸和交联剂乙二醇二缩水甘油基乙醚(L-Cys/ EGDE)对脆弱丝织品的加固,用聚乙二醇甘油醚对丝素蛋白膜进行改性,改性后膜的拉伸强度和断裂伸长率都得到改善。氨基酸能和丝绸上的亲水基团通过氢 键、酯键、范德华力等结合。乙二醇二缩水甘油基乙醚(EGDE)分子两端各有一个三元环,张力大,且室温下就可发生化学反应,而L-Cys等几种氨基酸对脆弱丝 织品加固效果较为显著。由此,选用L-Cys和EGDE为加固材料,对人工老化的脆弱丝织品进行模拟加固研究,加固后的脆弱丝织品断裂强力由(2±0.3)N提高到(18±0.5)N,断裂伸长由(3±0.5)mm提高到(14±0.5)mm。傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、碳十三固体核磁共振仪(13C CP/MAS NMR)和氨基酸测试结果表明,L-Cys/EGDE加固材料与脆弱丝织品中酪氨酸、组氨酸等氨基酸侧基发生了稳定的化学反应,加固样中无规卷曲结构大量增加,加固效果明显,经过研究证明,该方法可以进一步运用在脆弱丝织品文物的加固中[15]。因此,加固材料本身的理化性质、与文物实体的反应,加固流程的设置应科学且谨慎,在经过充分的前期实验获得依据后方能应用于文物保护实践中。


(三)加固效果长期有效的依据


加固效果的长期有效取决于是否妥善解决了文物实体材料的脆弱问题。在科学地加固保护后,文物理化性能的提升、微观结构上的修复,依旧要经受时间的检验,即待修复的文物是出题人,文物保护工作者是答题人,时间是阅卷人。而采用加固材料模拟老化可以有效地解答这个问题,进而了解各种环境下加固材料的老化进程,以及保护材料失效的原因,并对其所谓的“失效”程度进行评价,判断其在各个阶段是否还可以使文物处于相对稳定的状态。其主要研究内容包括:服役环境中文物加固材料的损伤机理、失效的原因、损伤动力学过程、安全性评价、“失效”程度评价[16]、服役寿命和探究延长保护材料服役期的措施等。


文物保护材料在开始应用的第1秒后便在不断地失效,但在一定时期内仍具有保护作用,其具有一个失效阈值。在抽象概念中,一定存在这样一个点,一旦过了这个时间点,文物又将进入迅速老化期,因此对该阈值时间点的预测极为重要。在到达阈值之前,需要将新的保护材料应用于文物实体,但在实际操作中,由于每件文物以及加固材料的特殊性,这个具体点位无法准确测得,因此可以选择测算它所处的范围,结合环境条件,通过在模拟文物样品上进行大量实验,了解其损伤机制和损伤动力学原理,以及服役环境与保护性能之间的关系,借助模拟实验、实时监控、综合处理多项监控数据,预报这个点所处的范围,再对保护后文物的现状进行评估,为加固效果的长期有效提供依据。


四、传统工艺科学化中的科学问题


我国文物保护的传统工艺,是一门传承已久的技艺,是中华民族优秀传统文化的一部分。最早的文物修复案例可追溯至史前时期;至唐宋时期,传统修复技艺作为一种手工行业已具备一定规模;到了明清时期,全国各地已形成诸多流派,各具手法与特色。现如今书画装裱、陶瓷器修复、青铜器修复等多项传统工艺已成为国家级非物质文化遗产[17][18]


但传统工艺在实际操作中,存在强调技术和修复效果,忽视基础理论和科学原理,工艺流程标准化、规范化概念模糊等问题。如传统书画装裱仅凭匠人的经验,装裱的材料(纸张、浆糊)、工具、操作步骤也缺乏科学依据。装裱中浆糊不可或缺,不同季节、地域、装裱师在浆糊的使用上各有不同,浆糊的熟度、浓度、添加明矾量亦没有具体定量,去掉浆糊“火气”的浸泡时间不定,浆糊使用时刷的次数各异。再者,“火气”[19]的科学概念、不同浆糊的具体成分[20]、浆糊熟度和浓度与浆糊成分的关系、不同物质在浆糊中的作用、温度与湿度对于浆糊内部成分的影响、明矾和浆糊反应的原理,这些科学问题并未经阐释。在具体装裱流程中,装裱师仅凭个人经验进行操作,有很大的随意性。而文物保护对科学性和严谨性的要求,与传统装裱工艺对科学原理的忽视以及装裱流程的不规范形成鲜明矛盾。因此,正视传统文物保护工艺中的科学问题,探究传统文物保护工艺的科学原理,制定标准化和规范化的流程,才能推动传统工艺的继承和发展。


文物的传统修复工艺是中国人民的伟大创造和智慧结晶,对于这些传统修复工艺应该继承发展、古为今用,利用科学的手段去解释传统修复工艺的科学性,将科学的思维融入传统文物的修复当中,在继承发展的基础上,把握时代的脉搏,兼容并蓄、开拓创新,才能更好地推动文物保护水平向更高层次发展。


五、结 语


综上所述,文物保护领域存在着科学问题、技术问题与工程问题。科学问题是原理性问题,是认识论;技术问题是实践性问题,是方法论;工程问题是综合协调问题,是整体论。其中,科学问题是源问题,所有问题都由其发散展开,技术问题的解决以科学问题的解决为基础,而工程问题则是在科学问题和技术问题解决的基础上,协调文物保护工作中各个矛盾,使其形成合力共同解决问题。在文物保护工作中,三个问题互为表里、相辅相成,而要确保文物保护的科学性、合理性和有效性,首要任务就是要深入地研究其中的科学问题。只有解决了科学问题,技术问题和工程问题的研究才具备了较扎实的基础,因此,科学问题对于文物保护学科的发展至关重要。


[本研究为国家重点研发计划资助项目“馆藏典型脆弱有机质文物病害防治与评价技术研究”(编号:2019YFC1520400)]


参考文献(略)


作者:龚钰轩 郑熊昊 周光昭 龚德才

作者单位:中国科学技术大学科技史与科技考古系文物保护科学基础研究中心

文章来源:中国文化遗产2021年第3期

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