Analitska orodja nove generacije za dediščinsko znanost (NextGenHS)
Šifra projekta: J7-50226
Vodja projekta: prof. dr. Irena Kralj Cigić
Trajanje projekta: 1. 7. 2024 do 30. 6. 2027
Povzetek:
Analitska orodja so ključna pri izvajanju raziskav v dediščinski znanosti. Določanje in razumevanje izjemne sestavne in strukturne kompleksnosti zgodovinskih predmetov in biomaterialov je podobno težavno kot pri živih organizmih, kjer je vzorčenje pogosto etično sporno. Podobnosti najdemo tudi v tem, da za razlago rezultatov potrebujemo izrazito interdisciplinaren pristop.
NextGenHS se osredotoča na razvoj novih analitskih metod in pristopov za razumevanje zgodovinskih biomaterialov, z namenom boljše interpretacije, upravljanja in konserviranja. To zahteva široko interdisciplinarno sodelovanje analitikov in znanstvenikov s področja biomaterialov, saj znanstvene razlage rezultatov ni mogoče doseči brez poglobljenega razumevanja strukture biomaterialov in procesov razgradnje. Iz tega razloga je predlog vložen na področju analizne kemije (primarno področje), ki ga podpirajo UL FKKT, UM FKKT in KI, ter biotehnike (sekundarno področje), ki ga podpirajo UL BF, ZAG in ZVKDS. Vpliv te raziskave bo viden na področju humanistike, ki ga predstavljata UL FF in NUK. NextGenHS podpira uresničevanje cilja trajnostnega razvoja "Trajnostna mesta in skupnosti", zlasti Cilja 11.4 "Okrepiti prizadevanja za zaščito in varovanje svetovne kulturne in naravne dediščine". V posebni številki revije Angewandte Chemie iz leta 2018 je bil opravljen celovit pregled najnovejšega stanja na tem področju. M. Strlič v svojem uvodniku poziva k "znatnim raziskovalnim in tehničnim prizadevanjem za razvoj orodij za spremljanje in strokovnega znanja za analizo podatkov, ki so potrebni za razumevanje, interpretacijo in upravljanje dediščine".
Z vidika analizne kemije predstavljajo dediščinski biomateriali kompleksen izziv na različnih področjih:
(i) Kompleksna sestava. Velika večina biomaterialov dediščine je bodisi naravnega izvora (npr. les, kost) bodisi predstavlja različno obdelane naravne biomateriale (npr. pergament, papir). Kot taki odražajo naravno sestavo tkiv, iz katerih so bili izdelani.
(ii) Kompleksna struktura. Številni predmeti dediščine so sestavljene strukture, bodisi kvazi-2D, kot so večplastno okrašene površine (npr. slike), bodisi materiali z raznoliko 3D razporeditvijo kemičnih in mehanskih lastnosti, npr. les ali kost.
(iii) Dolgoročna razgradnja v neznanih pogojih lahko lokalno bistveno spremeni sestavo in strukturo ter vnese dodatno heterogenost, kar predstavlja dodaten izziv pri analitskem razumevanju okolja.
Ta izjemna kompleksnost je lahko vir informacij, ki omogočajo razumevanje predmetov dediščine (npr. razlike v sestavi rastnih obročev zob, ki lahko kažejo na spremembe v prehrani), lahko pa je vzrok razgradnje (npr. zaradi mehanskih/RH obremenitev v biomaterialu, ki povzročijo razpoke). Karakterizacija mikrookolja, ki obdaja predmete z zadostno časovno ločljivostjo, bi lahko pomagala pri ohranjanju in identifikaciji biomaterialov (npr. z odkrivanjem hlapnih organskih spojin). Vizualizacija materialne heterogenosti z analitiko torej neposredno vpliva na interpretacijo in ohranjanje dediščinskih predmetov v dediščinskih zbirkah. NextGenHS obravnava najpogostejše nerešene analitske izzive v dediščinski znanosti.
Najsodobnejši razvoj analitskih metodologij in tehnik na področju znanosti o dediščini omogoča Evropska raziskovalna infrastruktura za dediščinsko znanost (E-RIHS) . Vsi projektni partnerji so člani slovenskega vozlišča E-RIHS.SI in so tako v idealnem položaju, da lahko takoj po zaključku projekta ponudijo dostop do novih zmogljivosti. Slovenski znanstveniki za dediščinsko znanost so s svojim delom pri razvoju E-RIHS odlično odigrali vodilno svetovno vlogo: leta 2015 je konzorcij E-RIHS predložil predlog Evropskemu strateškemu forumu za raziskovalne infrastrukture - ESFRI , da podpre vključitev infrastrukture E-RIHS v svoj časovni načrt, kar so dosegli leta 2016 . Takoj zatem je EU, skupaj s slovenskim partnerstvom, financirala projekt Pripravljalne faze (E-RIHS PP, 2017-2020), v katerem so bili razviti pravni, finančni, organizacijski in znanstveni okviri za razvoj infrastrukture z predložitvijo dokumentacije 1. faze ERIC leta 2021. Komisija EU ga je pozitivno ocenila, konzorcij pa je pripravil tudi dokumentacijo za 2. fazo, za Izvedbeno fazo (E-RIHS IP, 2022-2024), ki se že izvaja z dodatnimi nepovratnimi sredstvi EU.
Izziv 1: E-RIHS.SI LAB za površinsko analizo
Čeprav se za površinsko analizo uporablja veliko različnih analitskih metod z odlično prostorsko ločljivostjo na nanometrski ravni, jih le nekaj omogoča kemijsko karakterizacijo na ravni organske ali anorganske analize sestave in/ali analize elementarnega oksidacijskega stanja. Sinhrotronske metode, zlasti rentgenska absorpcijska spektroskopija (XAS), so bile uspešno uporabljene za kvantificiranje in vizualizacijo oksidacijskih stanj v biomaterialih dediščine, od železovih črnil na papirju in pergamentu do premočenega lesa, ki ga korodira železo, mehka gniloba in kislost; vendar je za lažje elemente in v lahko dostopnih okoljih raziskovalnih laboratorijev primernejša rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS), ki zagotavlja dopolnilne informacije XAS. Poleg tega lahko sekundarna ionska masna spektroskopija z analizatorjem načas preleta (ToF-SIMS) zagotovi informacije o kemijski sestavi, od katerih je nekatere mogoče delno razbrati s spektroskopskimi metodami (ki temeljijo na sinhrotronih ali ne), vendar noben od E-RIHS laboratorijev za dediščinsko znanost trenutno ne ponuja komplementarne analize XAS in ToF-SIMS kot del iste analitične storitve, kar bo ta projekt omogočil. Ta izziv bo podprt z vrsto uveljavljenih analiznih metod, za katere obstaja dokazana raziskovalna odličnost v Sloveniji, kot so laserska ablacija-ICP/MS na KI, Ramanska in FTIR spektroskopija ter oslikovanje na ZVKDS.
Izziv 2: E-RIHS.SI LAB za kvantitativno kemijsko oslikovanje
Hiperspektralno oslikovanje v območju 400-2500 nm je uveljavljena tehnika analize in vizualizacije dediščinskih in umetniških površin. V območju VNIR (400-1000 nm), bodisi v odbojnem bodisi v fluorescenčnem načinu, se uporablja za mapiranje (s prostorsko ločljivostjo običajno 10-30 m) porazdelitve pigmentov, barvil, črnil in drugih površinskih plasti, ki se optično razlikujejo od ozadja, kot so na primer površinske spremembe in restavriranje. Tako pridobljeni podatki iz hiperkocke zahtevajo tehnike analize podatkov, ki pogosto vključujejo nadzorovano in nenadzorovano multivariatno analizo podatkov, da bi prepoznali pozicije s podobnimi spektri, kar nakazuje podobno sestavo. Takšne metode združevanja v gruče običajno omogoča lastniška programska oprema HSI ali ENVI, industrijski standard, ki se na splošno uporablja za podatke HSI. Poleg tega pa ima spektralno območje 1500-2500 nm karakteristike, ki jih sestavljajo nadtonska in kombinirana nihanja, ki se bodo v tem projektu uporablila za kvantitativno kemijsko oslikovanje, npr. z uporabo multivariatne kalibracije. Ta pristop je v dediščinski znanosti prvič uvedla naša skupina leta 2011, vendar se zaradi zapletene kalibracije, ki zahteva obsežne nize neodvisno okarakteriziranih referenčnih vzorcev, še ne uporablja pogosto. Da bi ga predstavili širšemu občinstvu, bomo določili analitično učinkovitost različnih metod, razvitih za zgodovinski les, pergament in papir.
Izziv 3: E-RIHS.si LAB za 4D oslikovanje
Rentgenska računalniška tomografija (CT) je najprimernejša tehnika za vizualizacijo notranje strukture različnih organskih biomaterialov, vključno z lesom in kostmi/zobmi. Omogoča neporušno testiranje celotnih predmetov z različnimi prostorskimi ločljivostmi (za CT običajno že 0,5 m). 3D-slika odraža razlike v absorpciji rentgenskih žarkov, kar neporušno razkrije notranjo strukturo predmeta. To je zanimivo pri interpretaciji predmetov, npr. z odkrivanjem načinov izdelave, in pri konserviranju, npr. z razkrivanjem prisotnosti notranjih napak. Ta projekt bo kvantitativno ovrednotil metodo digitalne volumske korelacije (DVC), uporabljeno na slikah CT, da bi izmerili 3D-premike in deformacijska polja obremenjenih vzorcev skozi čas, t.j. v 4D. CT DVC je najsodobnejši pristop na številnih področjih znanosti o materialih, npr. biomaterialih, vendar se na področju dediščinske znanosti praktično ne uporablja. Prikazali bomo njegovo uporabnost pri različnih problemih, povezanih z obnašanjem lesa, kosti in pergamenta pri obremenitvah, npr. med mehansko-sorpcijsko obremenitvijo. Za oceno analitske učinkovitosti bomo uporabili tradicionalne metode statičnega in dinamičnega mehanskega testiranja ter karakterizacije biomaterialov.
Izziv 4: E-RIHS.si LAB za senzorje
Notranja dediščinska okolja imajo izjemno kompleksno sestavo, saj nanje vplivajo onesnaževala, ki nastajajo na prostem in prehajajo skozi ovoj stavbe, pa tudi onesnaževala, ki jih prinašajo obiskovalci, emisije iz notranje opreme ter iz samih biomaterialov zbirke. Mikrookolja dediščine so tako hkrati nevarnost za, a tudi vir informacij o shranjenih biomaterialih. Ta projektna skupina je prva na svetu dokazala, da je mogoče s kvantitativno analizo HOS, ki jih emitira zgodovinski papir, sklepati ne le o sestavi takega papirja, temveč tudi o njegovi stabilnosti. Poleg tega so lahko povečane emisije HOS prvi znak okužbe z glivami. Vendar pa je spremljanje kompleksnih mešanic onesnaževal zahteven analitičen problem, ki v dediščinskem okolju še ni bil ustrezno rešen. Kljub vsesplošni razpoložljivosti GC-MS predstavlja vzorčenje znatne zamude pri upravljanju dediščine. Senzorski nizi ponujajo možnost zaznavanja in kvantifikacije kompleksnih mešanic, vendar zatheva njihova kalibracija različne pristope strojnega učenja in razpoložljivost kalibriranih okoljskih podatkov, pridobljenih z GC-MS. Ta projekt bo razvil senzorske nize na osnovi kovinskih oksidov in kolorimetrije za hkratno kvantitativno spremljanje kompleksnih mešanic dediščinskih okolij v notranjih prostorih. Takšni senzorski nizi bodo pomembno dopolnili že razpoložljive senzorje za onesnaževala, ki jih povzroča promet in so pogosto nameščeni v dediščinskih ustanovah.
Sodelujoče institucije:
- Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo (UL FKKT)
- Kemijski inštitut (KI)
- Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta (UL BF)
- Univerza v Ljubljani, Filozofska fakulteta (UL FF)
- Narodna in univerzitetna knjižnica (NUK)
- Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo (UM FKKT)
- Zavod za gradbeništvo Slovenije (ZAG)
- Javni zavod Republike Slovenije za varstvo kulturne dediščine (ZVKDS)
Člani raziskovalne skupine:
- Irena Kralj Cigič (UL FKKT)
- Abdelrazek Elnaggar (UL FKKT)
- Ibrahim Elrefaey (UL FKKT)
- Hend Mahgoub (UL FKKT)
- Špela Pok (UL FKKT)
- Tjaša Rijavec (UL FKKT)
- Matija Strlič (UL FKKT)
- Samo Hočevar (KI)
- Martin Šala (KI)
- Nikola Tasić (KI)
- Kristijan Vidović (KI)
- Miha Humar (UL BF)
- Sebastian Dahle (UL BF)
- Davor Kržišnik (UL BF)
- Boštjan Lesar (UL BF)
- Jaka Levanič (UL BF)
- Marko Petrič (UL BF)
- Matija Črešnar (UL FF)
- Tamara Leskovar (UL FF)
- Jasna Malešič (NUK)
- Matjaž Finšgar (UM FKKT)
- Aleksander Saša Markovič (UM FKKT)
- Snehashis Pal (UM FKKT)
- Barbara Rajh (UM FKKT)
- Tanja Vrabelj (UM FKKT)
- Lidija Korat Bensa (ZAG)
- Uroš Bohinc (ZAG)
- Andraž Legat (ZAG)
- Andreja Pondelak (ZAG)
- Rožle Repič (ZAG)
- Andrijana Sever Škapin (ZAG)
- Luka Škrlep (ZAG)
- Polonca Ropret (ZVKDS)
- Maša Kavčič (ZVKDS)
- Katja Kavkler (ZVKDS)
- Janez Kosel (ZVKDS)
- Lea Legan (ZVKDS)
Povezava do spletne strani projekta