Analiza elementelor componente din ceramică

Deva, 10 oct. 2018

Orice arheolog a văzut mese pline de  cioburi ceramice ca în această fotografie:

Cioburile sunt așa de mici, încât este imposibilă refacerea vasului respectiv. Acestea sunt desenate, inventariate, depozitate și cam atât. Nu se poate trage nici o concluzie.
Spectroscopia de absorbție atomică (Atomic absorption spectroscopy - AAS) este o procedură spectroanalitică pentru determinarea cantitativă a elementelor chimice utilizând absorbția radiației optice (lumină) de atomii liberi în stare gazoasă.
În chimia analitică tehnica este utilizată pentru determinarea concentrației unui element particular (analit) într-o probă care urmează să fie analizată. AAS poate fi utilizat pentru a determina peste 70 de elemente diferite în soluție sau direct în probe solide prin vaporizare electrotermică (ardere cu lampa Bunsen).
Tehnica utilizează spectrul de absorbție atomică a unei probe pentru a evalua concentrația anumitor analiti. Ea necesită etaloane cu conținut de analit cunoscut pentru a stabili relația dintre absorbția măsurată și concentrația analitului și se bazează pe legea Beer-Lambert.
Pe scurt, electronii atomilor din atomizor pot fi urcați la orbitale mai mari (starea excitată) pentru o perioadă scurtă de timp (nanosecunde) prin absorbția unei cantități definite de energie (radiație a unei lungimi de undă date). Această cantitate de energie, adică lungimea de undă, este specifică unei tranziții electronice particulare a unui anumit element. În general, fiecare lungime de undă corespunde unui singur element, iar lățimea unei linii de absorbție este de ordinul a câtorva picometri (pm), ceea ce conferă tehnicii selectarea precisă a elementului chimic. Fluxul de radiație etalon - fără probă (de obicei o lampă etalon cu catodul realizat din acel element chimic, dar de puritate mare) și cu o probă necunoscută din atomizor este măsurat utilizând un detector, iar raportul dintre cele două valori (absorbția) este convertit în concentrație  a analitului folosind Legea Beer-Lambert

Schema spectrometrului

 

  • La intrare, spectrometrul face o analiză relativă a unui anumit element chimic prin analizarea lămpii etalon care este de concentrație 100 % și a elementului necunoscut. Acesta va primi un anumit procent față de lampa etalon, adică concentrația din acel element necunoscut.
  • Atomizorul este de două tipuri, în funcție de procedeul ales de analiză:
  1. la arderea probei necunoscute în creuzet se folosește o lampă Bunsen
  2. Elementele sunt diluate în soluție și se așează în spectrometru în recipiente de cuarț prin care va trece un fascicol ultraviolet.
  • Selectorul lungimi de undă este format dintr-o prismă optică, rotită de un motor pas cu pas, în funcție de elementul chimic de analizat.
  • Detectorul este un fotomultiplicator electronic cu mai mulți anozi, fiecare având tensiunea de accelerare mai mare decât precedentul anod.
  • Amplificatorul electronic de semnal slab, este practic un amplificator cu zgomot propriu foarte mic, pentru a nu distorsiona semnalul util.
  • Calculatorul de proces convertește practic aceste semnale în informații care pot fi prelucrate de PC.

Ceramica în principiu conține câțiva compuși chimici, ca de exemplu:

  • alumina, sau oxidul de aluminiu Al2O3
  • zirconia sau oxidul de zirconiu ZrO2
  • cuarțul sat bioxidul de siliciu SiO2 etc.

Se observă că elementele chimice din compoziția ceramicii : Al, Zr, Si, Ca, metale, etc. nu-și modifică concentrația prin procesul de ardere a ceramicii, temperaturile de ardere la foc de  lemne fiind de câteva sute de grade.
În mod logic, rezultă că fiecare ciob are o amprentă chimică unică. Analiza spectrometrică va da niște concentrații unice pentru fiecare ciob.
Se poate face o hartă cu compoziția chimică a gropilor de lut pe județe și eventual pe întreaga țară. Fiecare groapă va avea o concentrație unică a elementelor analizate.
Corespondența biunivocă ciob - groapă de lut arată exact două lucruri: unde a fost produs și unde a ajuns obiectul ceramic respectiv. Arheologul poate trage concluzii valoroase unde erau atelierele de producție, cu ce zone s-a făcut comerț, intensitatea comerțului, dată de cantitatea de cioburi găsire, puterea economică a zonei care cumpăra obiectele ceramice, rutele comerciale dintre producător și beneficiari, etc. În momentul de față, prin metodele vechi, arheologul poate trage niște concluzii cantitative, care nu folosesc nimănui, iar depozitarea cioburilor este o acțiune inutilă.
Pentru implementarea acestei tehnologii, ar trebui ca fiecare muzeu regional să achiziționeze un spectrometru de absorbție atomică și să angajeze un inginer chimist. Rezultatele pe termen mediu și lung, sunt convins că vor fi spectaculoase.