UTJECAJ GAMA ZRAČENJA NA PREDMETE UTJECAJ GAMA ZRAČENJA NA PREDMETE KULTURNE BAŠTINE OD ORGANSKIH KULTURNE BAŠTINE OD ORGANSKIH

MATERIJALAMATERIJALA

Irina PucićLaboratorij za radijacijsku kemiju i dozimetriju

Institut Ruđer Bošković Zagreb, Hrvatska

pucic@irb.hr

seminar

“Radijacijske metode u zaštiti kulturne baštine”

2

ORGANSKI MATERIJALI U KULTURNOJ BAŠTINIORGANSKI MATERIJALI U KULTURNOJ BAŠTINI

prirodne polimere sadržavaju: ● drvo ● papir ● koža● pergament● krzno

● tekstil● užad ● slonovača ● kosti● jantar

sintetički polimeri:● celuloza-acetat ● poliester ● guma

anorganski materijali:

● staklo ● poludrago kamenje● minerali ● sedef

komponente polikromnih objekata:

● premazi ● veziva● pigmenti ● gips

uz navedene materijale kao dijelovi objekata pojavljuju se

3

biodeterioranti: insekti, gljivice, plijesni, bakterije itd., nastanjuju objekte kulturne baštine i hrane se njihovim materijalima: ● celuloza → drvo, papir, pamuk ● proteini → koža, pergament (kolagen), svila, vuna

djeluju u svim stupnjevima proizvodnje i uskladištenja

● uzrokuju promjenu izgleda (obezbojenje, obojene mrlje) ● gubitak čvrstoće● djelomičnu ili potpunu razgradnju materijala

izazaivaju kemijske promjene

● promjene stupnja oksidacije● smanjenje stupnja polimerizacije ● razgradnja molekularne strukture

ŠTETNICI I NJIHOVO DJELOVANJE NA MATERIJALEŠTETNICI I NJIHOVO DJELOVANJE NA MATERIJALE

4

fumigacija ● toksična i/ili štetna za okoliš ● opasna za operatere, restauratora, kustosa pa i posjetitelje muzeja ● zakonska ograničenja● ne prodire dovoljno u dubinu ● neki insekti su u stanju proizvesti zaštitne prepreke ● upitno djeluje li na jajašca ● niska pouzdanost● skupa, naročito za veće objekte● materijali tretirani etilen-oksidom mogu biti osjetljiviji na novi napad

od netretiranih

radijacijska obrada γ - zračenjem ● zaustavlja biodegradaciju● koristi se za konzervaciju ● može se koristiti i za konsolidaciju● osniva se na saznanjima prikupljenim za radijacijsku obradu

farmaceutika, kozmetičkih, medicinskih materijala i sl.

BIODETERIORANTI - UKLANJANJEBIODETERIORANTI - UKLANJANJE

5

RADIJACIJSKA OBRADA PREDMETA KULTURNE BAŠTINERADIJACIJSKA OBRADA PREDMETA KULTURNE BAŠTINE

1978. radijacijska dezinfestacija mumije Ramsesa IIu suradnji stručnajka iz Arc-NucleArt Laboratorija, Grenoble, Francuska

početci u 1960-im i 1970-im

6

● γ-zračenje je visoko-energetsko elektromagnetsko zračenje koje emitira radioaktivna jezgra

● ozračivanje je interakcija zračenja i tvari, prijenos energije ● energija gamma zračenja koje se primjenjuje u radijacijskoj obradi ne

pobuđuje jezgre atoma ozračenog objekta → ne generira sekundarnu radioaktivnost

● velika prodornost osigurava efikasnost i pouzdanost biocidnog djelovanja

Radio valovi10 -10-10-6 eV Mikrovalovi

Infra crvene zrake

-Vidljivo svijetlo

Ultra-ljubičaste X-zrake γ− zrake100keV – 2 MeV

GAMA ZRAČENJEGAMA ZRAČENJE

Ionizacija i ekscitacija atoma i molekula

ABAB+ + e-

AB+ + e-

A• + B•AB*

izlaganjem tvari ionizirajućem zračenju dolazi do cijepanja kemijskih veza= strukturne promjene na molekulskoj razini koje imaju fizikalne, kemijske i biološke posljedice

7

ABSORBIRANA DOZA, D, je najvažniji parametar o kojem ovise svi efekti zračenja= energija zračenja koju je primio ozračeni medij,SI jedinica je Gy (= J kg-1)

D' = D / t

Brzina doze, D', ovisi o jačini polja zračenja koja ovisi o aktivnosti izvora, tj. broju raspada u vremenu. Jačina polja se smanjuje s kvadratom udaljenosti od izvora zračenja. Brzina doze može se po potrebi smanjiti primjenom.

Osoblje u laboratoriju za radijacijsku obradu osigurava dozimetrijsku kontrolu i određuje optimalnu geometriju.

Bira se najmanja doza koja ne proizvodi neželjene efekte a osigurava konzervaciju.

ABSORBIRANA DOZAABSORBIRANA DOZA

8

1 Gy1 mGy 1 kGy 1 MGy1 0.001 1 000 1 000 000

BIOLOŠKO DJELOVANJE ZRAČENJA

DJELOVANJE ZRAČENJA NA MATERIJALE

25 kGy medicinska sterilizacija

dezinsekcija

uklanjanje gljivica

letalna dozaza ljude

promjena boje

radioliza

polimerizacija

degradacija

3 mSv godišnjeprirodno zračenje

6 mSv godišnjeprirodno zračenje+medicina

DOZA D

uklanjanje bakterija

ABSORBIRANA DOZA I DJELOVANJE ZRAČENJAABSORBIRANA DOZA I DJELOVANJE ZRAČENJA

9

RRADIADIJJAACCIIJSKIJSKI UREĐAJI POSVEĆENI ISKLJUČIVO UREĐAJI POSVEĆENI ISKLJUČIVO KONZERVACIJI PREDMETA KULTURNE BAŠTINEKONZERVACIJI PREDMETA KULTURNE BAŠTINE

ARC-NucléArt, Grenoble, Francuska

Muzej Središnje Češke, Roztoky pokraj Praga, Češka

Vodeći na području u posljednjih 30 godina:

10

Uređaj za ozračivanje u Laboratoriju za radijacijsku kemiju i dozimetriju, IRB

RRADIADIJJAACCIIJSKIJSKI UREĐAJI PRI ISTRAŽIVAČKIM UREĐAJI PRI ISTRAŽIVAČKIM LABORATORIJIMA ILI KAO POSEBNE JEDINICELABORATORIJIMA ILI KAO POSEBNE JEDINICE

IRB – Zagreb (Hrvatska)

IRASM – Bucharest (Romania)

MITR – Łódź (Poland)

ENEA – Casaccia (Italy)

11

●Pucanje veza ●Stvaranje nezasićenja●Oksidacija●Umrežavanje●Degradacija – većina prirodnih polimera

DJELOVANJE ZRAČENJA NA MATERIJALEDJELOVANJE ZRAČENJA NA MATERIJALE

Ionizacija i ekscitacija atoma i molekula

ABAB+ + e-

AB+ + e-

A• + B•AB*

degradacija umrežavanje

12

PAPIRPAPIR

gljivice probavljaju celulozu●smanjenje stupnja polimerizacije●gubitak mehaničkih svojstava●otpuštanje metabolita

celuloza ● od tekstila ili od drvne kaše● više stotina vrsta gljivica napada papir iz arhiva, muzeja i knjižnica● polako degradira ● gljivice mogu naškoditi i ljudima koji moraju raditi s tim papirom

13

RADIJACIJSKA OBRADA PAPIRA RADIJACIJSKA OBRADA PAPIRA

● raspon doza od 5 do 18 kGy ● protiv pljesnji koje se uobičajeno sreću u arhivima 8 kGy● cilj nije postići sterilnost

8 do 9 kGy dovoljno za uništavanje većine štetočina

za potpuno uklanjanje gljivica potrebno je 18 kGy ● minimalne promjene fizičkih, mehaničkih i kemijskih svojstava papira ● promjene primjetne nakon ubrzanog starenja ● sinergizam ubrzanog starenja i efekata zračenja ● efekti umjetnog starenja ne podudaraju se s onim prirodnog

istraživanje i primjena zračenja papira započeti u 60-imvelike doze → velika degradacijapredrasude prema zračenju istovremeno širenje tehnika fumigacije

14

PAPIR - ISPITIVANJE DJELOVANJA ZRAČENJAPAPIR - ISPITIVANJE DJELOVANJA ZRAČENJA

ispitivanje ● otpornosti papira i tiskarske tinte● u rasponu doza širem od nužnog za konzervaciju kako bi se lakše uočile promjene koje su posljedica zračenja

problem referentnog papira● Whatman – preosjetljiv, čista celuloza iz drvne kaše koja pokazuje znakove degradacije već pri 5 kGy ● permanentni papir bez lignina ● papir za kopiranje

mehanička svojstva otpornost na savijanje pokazatelj promjena stupnja polimerizacije

kemijska svojstva

10 kGy

Cijepanje lanacaKarbonilne grupeKarboksilne grupe

djelotvornosti zračenja na biološke agense koji napadaju papir

oksidacija – pojava karboksilnih i karbonilnih skupina neznatna ispod D=10 kGy

otpornost ozračenog papira na starenje i naknadne napade bioloških agensajoš je predmet istraživanja

15

uz primjenu minimalne potrebne doze● za insekte dovoljno 0.2 do 0.5 kGy● za gljivice 8 do 9 kGy ● osigurava dezinfekciju u najvećem broju

slučajeva● radijacijska oštećenja zanemariva

RADIJACIJSKA OBRADA PAPIRA RADIJACIJSKA OBRADA PAPIRA

unatoč ograničenjima nezamjenjiva● kod opsežne kontaminacije● kad je biološki napad počeo na drvu i prešao na papir● kad je informacija koju papir nosi važnija od samog papira● kad se druge kolekcije želi zaštititi od moguće kontaminacije ● u katastrofalnim situacijama● za papirne tapete

16

● suho drvo napadaju insekti● vlažno drvo napadaju gljivice● oštećeno još osjetljivije

DRVODRVO

● 41- 43 % celuoloza● 20 -30 % hemiceluloza● 23 - 27 % lignin● smole, masne kiseline i steroli celulozne fibrile ugrađene u matriks od lignina

17

RADIJACIJSKI OBRAĐENO DRVORADIJACIJSKI OBRAĐENO DRVO

dezinfestacija drva γ-zračenjem od 1960.-ihprodornost γ-zračenja – idealna za velike objekte termička i mehanička svojstva skoro nepromijenjena do 100 kGy, mehanička svojstva do 50 kGy čak i nešto bolja nego kod neozračenog – lignin “štiti” drvo od zračenja

jasika – elastičnostceluloza norveške smreke – stupanj kristalnostibukva – kompresibilnost okomito na vlakna orijentalna smreka – kompresibilnost okomito na vlaknanorveška smreka – otpornost na savijanje

10 kGy

opažena promjena zvuka ozračene violine (doza nije navedena)

18

POLIKROMNO DRVO – PIGMENTI I ADITIVI POLIKROMNO DRVO – PIGMENTI I ADITIVI

kod doza koje se primjenjuju za dezinfekciju drva promjene pigmenata zanemarive

Rumunjska - ikona 11-36 kGy (!) promjene kod pigmenata krom-žuta i minij

10 kGy

● laneno ulje i gumiarabika nešto osjetljiviji● instrumentalno utvrđene promjene boje nevidljive ljudskom oku osim za kredu i podloge s kredom● kod krom-žute i minija veća brzina doze povećavala efekt, ● promjene veće ako nije bilo laka

19

pigment 6 kGy 10 kGy 25 kGycrni 5 5 4-5azurno plavi 5 5 4-5žuta okra 5 5 4-5mars crveni 5 5 5svijetlo smeđi 5 5 5sivi 5 5 5

PIGMENTI RADIJACIJSKI OBRAĐENE SLIKE PIGMENTI RADIJACIJSKI OBRAĐENE SLIKE

Peru: Leonardo Flores “Sveta obitelj s anđelima”

17.st

● kontaminirana gljivicama● zračena u 2 navrata!● D= 6 kGy + 9 kGy● nisu uočene promjene

materijala i pigmenata

komparativna skala boja1= velika promjena5= nema promjene

20

KOŽA, PERGAMENTKOŽA, PERGAMENT

Protein kolagenniti čiji raspored, orijentacija i konzistentnost određuju svojstva kože. Struktura kolagena ostaje nepromijenjena do 50 kGy.

kožuh iz rumunjske etnografske zbirke,

D=10 kGy

21

KOŽAKOŽA

10 kGy

promjene fizikalnih svojstava kolagena s dozomkolagen u koži umrežen štavljenjem pergament je neštavljen ali podnosi doze potrebne za dezinfekciju

22

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

10 100 1000 10000 100000 1000000

Dose (Gy)

Rela

tive

beha

vior

CottonLaineLinSoieTraction rupture loads

Fibers from animal origin

Fibers from vegetal origin

Vlakna životinjskog porijekla

Vlakna biljnog porijekla

Čvrstoća na istezanje

10 kGy

VLAKNAVLAKNA

Vlakna životinjskog porijekla = proteinski polimeriVlakna biljnog porijekla = celulozni polimeri

U modelnim uzorcima tekstila pri D = 5 kGy uočene samo prolazne kemijske promjene

23

Rumunjska - filmska arhiva

nosač: celuloza-acetat i poliestervezivna želatina hrana za gljivice

ispitane doze D=25 kGy i 50 kGy

primijenjena D=25 kGy

utrvrđivan utjecaj zračenja na boju u svakom sloju nije bilo promjene boja čak ni nakon ubrzanog strarenja 6h na 75 ºC

SINTETIČKI POLIMERISINTETIČKI POLIMERI

mehanička ispitivanja – umreženje oko 10%, razmaci među perforacijama nepromijenjeni zaostali slobodni radikali - nakon tjedan dana nisu više detektirani

24

Predmete kulturne baštine koji se čuvaju u zatvorenim prostorima

Preventivni postupak, važna indirektna metoda: - održavanje propisanih konzervacijskih uvjeta: vlažnost, temperatura, itd.

Kurativne metode, nakon izbijanja infekcije

PARAMETRI PRI ODLUČIVANJU O RADIJACIJSKOM POSTUPKUPARAMETRI PRI ODLUČIVANJU O RADIJACIJSKOM POSTUPKU

OBJEKTINFESTACIJA

FUNKCIJAOKOLINA

DEZINFEKCIJA

efikasnostpouzdanost

sigurnost

PREVENTIVNO

KURATIVNO

25

MATERIJAL dezisnsekcija(0,5 do 2 kGy)

uklanjanje gljivica

(do 20 kGy)

MATERIJAL dezisnsekcija(0,5 do 2 kGy)

uklanjanje gljivica

(do 20 kGy)drvo DA DA jantar DA NE

papir DA DA, ali staklo NE NE

tekstil, užad DA DA prozirni kristalidragi kamen

NE NE

koža, pergament

DA DA neprozirni dragi kamen, tinjac

DA DA

krzno, dlaka DA DA mramor, porculan

izbjegavati NE

kosti, rog, slonovača,bijeli sedef

izbjegavati NE

smole, lakovi,gume i veziva

DA DA materijali za restauriranje

DA DA

pigmenti DA DA

RADIJACIJSKA OBRADA GLAVNIH MATERIJALA RADIJACIJSKA OBRADA GLAVNIH MATERIJALA KULTURNE BAŠTINEKULTURNE BAŠTINE

26

PREDNOSTI RADIJACIJSKOG POSTUPKAPREDNOSTI RADIJACIJSKOG POSTUPKAZA MATERIJALE ORGANSKOG PORIJEKLAZA MATERIJALE ORGANSKOG PORIJEKLA

● ozračeni objekti ne postaju radioaktivni ● nema opasnosti ni za restauratore ni kustose ni posjetitelje ni okoliš● djeluje po cijelom volumenu● ovisi o samo jednom parametru, apsorbiranoj dozi, koju je lako kontrolirati● visoka pouzdanost● moguće postići dezinfekciju bez vidljivih i/ili mjerljivih promjena skoro svih materijala organskog porijekla● istovremeno djeluje na sve štetne organizme u svim fazama njihova razvoja, prodire kroz ambalažu ● postupak relativno brz i veći broj objekata se može tretirati istovremeno● postupak se provodi na odabranoj, u pravilu sobnoj temperaturi ● moguća obrada u smrznutom stanju, nema zagrijavanja● osjetljivost zagađivača može se povećati zagrijavanjem

27

prije restauracije (2003.) poslije restauracije (2005.)

Oltar Majke Božje Loretske, Sv. Juraj, Plešivica

ozračen i restauriran

SURADNJA HRZ I IRBSURADNJA HRZ I IRB

zahvaljujući radijacijskoj obradi očekuje se dugotrajnija očuvanost

28

LITERATURA1.M. Adamo, G. Magaudda, A. Tata, Radiation technology for cultural heritage restoration, Restaurator-International Journal for the Preservation of Library and Archival Material. 25(3):159-170, 2004. 2.R.K. Bamber, D.F. Sangster, Observations on the sectioning characteristics of normal and gamma-irradiated conifer wood, IAWA bulletin 1 (1977) 12-16.3.I.A. Bhatti, S.Adeel, M. Asghar Jamal, M. Safdar, M. Abbas, Influence of gamma radiation on the colour strength and fastness properties of fabric using turmeric (Curcuma longa L.) as natural dye, Radiation Physics and Chemistry 79 (2010) 622-625.4.E. Bratu, I.V. Moise, M. Cutrubinis, D.C. Negut, M. Virgolici, Archives decontamination by gamma irradiation, Nukleonika, 54 (2009) 77-84. 5. F.J. Butterfield, The potential long-term effects of gamma radiation on paper, Studies in Conservation 32 (1987) 181-1916.M. da Silva, A.M.L. Moraes, M.M. Nishikawa, M.J.A. Gatti, M.A.V de Alencar, L.E. Brandao, A. Nobrega, Inactivation of fungi from deteriorated paper materials by radiation, International Biodeterioration and Biodegradation. 57 (2006) 163-167. 7.B. Katušin Ražem, D. Ražem, M. Braun, Irradiation treatment for the protection and conservation of cultural heritage artefacts in Croatia, Radiation Physics and Chemistry 78 (2009) 729–731. 8.M.E. Gonzalez, A.M. Calvo, E. Kairiyama, Gamma radiation for preservation of biologically damaged paper, Radiation Physics and Chemistry 63 (2002) 263–265.9.G. Magaudda, The recovery of biodeteriorated books and archive documents through gamma radiation: some considerations on the results achieved, J. Cultural Heritage 5 (2004) 113–118.10.S. M'Garrech, F. Ncib, Colorimetric study of effect of gamma-radiation on the color of cotton fabric colored by "henna" dye [Review], Applied Radiation and Isotopes, 67(2009) 2003-2006.11.M.L. OteroD’Almeida, P. de Souza Medeiros Barbosa, M.F. Guerra Boaratti, S.I. Borrely, Radiation effects on the integrity of paper, Radiation Physics and Chemistry 78 (2009) 489–492.12.M.M. Rizzo, L.D.B. Machado, S.I. Borrely, M.H.O. Sampa, P.R. Rela, J.P.S. Farah, R.I. Schumacher, Effects of gamma rays on a restored painting from the XVIIth century, Radiation Physics and Chemistry 63 (2002) 259–262.13.M.M. Rizzo, L.D.B. Machado, Y Kodama, Gamma rays irradiation process on a restored painting from the xviith century International Nuclear Atlantic Conference - 2009, http://pintassilgo2.ipen.br/biblioteca/2009/inac/15220.pdf (3.10.2011.)14.O. Salvadori, The control of biodeterioration, Coalition No. 6 (2003) 16-20.15.L.C.Severiano, F.A.R. Lahr, M.A.G. Bardi, A.C. Santos, L.D.B. Machado, Influence of gamma radiation on properties of common Brazilian wood species used in artwork, Progress in Nuclear Energy. 52 (2010) 730-734, 2010.16.D. Solpan, O. Guven, Preservation of beech and spruce wood by allyl alcohol-based copolymers, Radiation Physics and Chemistry 54 (1999) 583-591. 17.P. Tiano, Biodegradation of Cultural Heritage: Decay Mechanisms and Control Methods, http://www.arcchip.cz/w09/w09_tiano.pdf (3.10.2011.)