Около 5 тысяч лет назад люди, жившие на территории современного Ирана, начали извлекать медь из горных пород путём обработки руды — процесс, известный как плавка. Это стало поворотным моментом, давшим им новую мощную технологию и, возможно, ознаменовавшим зарождение металлургии. Вскоре после этого люди в разных частях мира начали использовать медь и бронзы (сплавы меди с оловом или мышьяком) для изготовления декоративных предметов, оружия, инструментов и многого другого.
Изучение древних технологий
Изучение того, как люди производили такие предметы, является сложной задачей, поскольку сохранилось мало свидетельств, а артефакты, которые уцелели, тщательно охраняются и сохраняются.
В статье, опубликованной в журнале PLOS One, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировали новый подход к раскрытию деталей некоторых из самых ранних металлургических процессов. Они изучили отходы производства, датируемые 5 тысячами лет, используя методы, включая рентгеновскую компьютерную томографию, также известную как КТ-сканирование.
В своей статье они показывают, как этот неинвазивный метод визуализации, который в основном используется в медицине, может выявить мелкие детали о структурах внутри образцов древнего шлака.
«Хотя шлак не может дать нам полной картины, он рассказывает истории о том, как прошлые цивилизации могли очищать сырьё из руды, а затем превращать его в металл», — говорит постдок Бенджамин Сабатини. «Это говорит об их технологических возможностях в то время и даёт нам много информации. Цель — понять, как они изготавливали эти блестящие металлические изделия, от начала до конца».
Использование КТ-сканирования для изучения древних артефактов
Сабатини и старший автор статьи Антуан Алланоре, профессор металлургии и профессор материаловедения и инженерии имени Хизер Н. Лехчман, объединили КТ-сканирование с более традиционными методами изучения древних артефактов, включая разрезание образцов для дальнейшего анализа. Они продемонстрировали, что КТ-сканирование может быть использовано для дополнения этих методов, выявляя поры и капли различных материалов внутри образцов.
«Ранний бронзовый век — один из самых ранних зарегистрированных периодов взаимодействия между человечеством и металлами», — говорит Алланоре, который также является директором Центра исследований материалов в археологии и этнологии MIT. «Артефакты в этом регионе в тот период чрезвычайно важны в археологии, однако сами материалы не очень хорошо охарактеризованы с точки зрения нашего понимания лежащих в их основе материалов и химических процессов. Подход с использованием КТ-сканирования — это трансформация традиционных археологических методов определения того, как делать разрезы и анализировать образцы».
Шлак как источник информации
Шлак образуется в виде расплавленной горячей жидкости, когда руды нагревают для получения металла. Шлак содержит другие минералы, входящие в состав руды, а также непрореагировавшие металлы, которые обычно смешивают с добавками, такими как известняк. В смеси шлак менее плотный, чем металл, поэтому его можно удалить, он застывает, как лава, при охлаждении.
«Шлаковые отходы химически сложны для интерпретации, потому что в наших современных металлургических практиках они содержат всё, что не желательно в конечном продукте, в частности мышьяк, который является ключевым элементом в исходных минералах для меди», — говорит Алланоре. «Всегда стоял вопрос в археометаллургии о том, можно ли использовать мышьяк и подобные элементы в этих остатках, чтобы узнать что-то о процессе производства металла».
Для исследования учёные использовали шлак из древнего поселения, известного как Тепе Хиссар в Иране. Шлак был датирован периодом между 3100 и 2900 годами до нашей эры и был передан в 2022 году музею Пенна Алланоре для изучения.
Исследователи считают, что это первая попытка изучить древний шлак с помощью КТ-сканирования, отчасти потому, что медицинские сканеры дороги и в основном расположены в больницах. Учёные преодолели эти трудности, работая с местным стартапом в Кембридже, который производит промышленные КТ-сканеры. Они также использовали КТ-сканер на территории кампуса MIT.
«Это было действительно из любопытства — посмотреть, есть ли лучший способ изучить эти объекты», — сказал Сабатини.
Помимо КТ-сканирования, исследователи использовали более традиционные археологические аналитические методы, такие как рентгенофлуоресценция, рентгеновская дифракция, оптическая и сканирующая электронная микроскопия. КТ-сканирование предоставило подробную общую картину внутренней структуры шлака и расположения интересных особенностей, таких как поры и кусочки различных материалов, дополняя традиционные методы и предоставляя более полную информацию о внутренней части образцов.