Nanomateriales de la Edad Media

Las muestras examinadas en el Swiss Light Source SLS mediante uno de los métodos de microscopía más avanzados eran inusuales incluso para el equipo del PSI, que cuenta con una gran experiencia: muestras minúsculas de materiales extraídos de un altar y de estatuas de madera procedentes del siglo XV. Se cree que el altar se fabricó en torno a 1420 en el sur de Alemania y estuvo durante mucho tiempo en una capilla de montaña en Alp Leiggern, en el cantón suizo de Valais. Hoy se expone en el Museo Nacional Suizo(Landesmuseum Zürich). En el centro se puede ver a María acunando al Niño Jesús. La muestra de material se tomó de un pliegue del manto de la Virgen. Las pequeñas muestras de las otras dos estructuras medievales fueron suministradas por el Museo Histórico de Basilea.

El material se utilizó para dorar las figuras sagradas. En realidad no se trata de pan de oro, sino de una lámina especial de doble cara de oro y plata en la que el oro puede ser ultrafino porque se apoya en la base de plata. Este material, conocido como Zwischgold (oro parcial), era mucho más barato que el uso de pan de oro puro. "Aunque el Zwischgold se utilizaba con frecuencia en la Edad Media, hasta ahora se sabía muy poco sobre este material", afirma el físico del PSI Benjamin Watts: "Así que quisimos investigar las muestras utilizando tecnología 3D que puede visualizar detalles extremadamente finos". Aunque anteriormente se habían utilizado otras técnicas de microscopía para examinar el Zwischgold, sólo proporcionaban una sección transversal en 2D a través del material. En otras palabras, sólo era posible ver la superficie del segmento cortado, en lugar de mirar dentro del material. A los científicos también les preocupaba que el corte pudiera haber modificado la estructura de la muestra. El método avanzado de obtención de imágenes por microscopía utilizado hoy, la tomografía pictórica, proporciona por primera vez una imagen en 3D de la composición exacta de Zwischgold.

Los rayos X generan un patrón de difracción

Los científicos del PSI llevaron a cabo su investigación utilizando los rayos X producidos por la Swiss Light Source SLS. Estos rayos producen tomografías que muestran detalles en el rango de la nanoescala, es decir, millonésimas de milímetro. "La pictografía es un método bastante sofisticado, ya que no hay una lente objetiva que forme una imagen directamente en el detector", explica Watts. En realidad, la pticografía produce un patrón de difracción de la zona iluminada, es decir, una imagen con puntos de diferente intensidad. Manipulando la muestra de forma precisa, es posible generar cientos de patrones de difracción superpuestos. "A continuación, podemos combinar estos patrones de difracción como una especie de rompecabezas de Sudoku gigante y averiguar cómo era la imagen original", afirma el físico. Un conjunto de imágenes pictóricas tomadas desde diferentes direcciones puede combinarse para crear un tomograma 3D.

La ventaja de este método es su altísima resolución. "Sabíamos que el grosor de la muestra de Zwischgold tomada a María era del orden de cientos de nanómetros", explica Watts. "Así que teníamos que ser capaces de revelar detalles aún más diminutos". Los científicos lo consiguieron utilizando la tomografía pictórica, como informan en su último artículo en la revista Nanoscale. "Las imágenes en 3D muestran claramente lo fina y uniforme que es la capa de oro sobre la capa base de plata", afirma Qing Wu, autora principal de la publicación. Esta historiadora del arte y científica de la conservación realizó su doctorado en la Universidad de Zúrich, en colaboración con el PSI y el Museo Nacional Suizo. "Mucha gente había asumido que la tecnología en la Edad Media no era especialmente avanzada", comenta Wu. "Al contrario: no se trataba de la Edad Media, sino de un periodo en el que la metalurgia y las técnicas de dorado estaban increíblemente desarrolladas".

Receta secreta revelada

Desgraciadamente, no hay registros de cómo se producía el Zwischgold en aquella época. "Creemos que los artesanos mantuvieron su receta en secreto", dice Wu. Sin embargo, basándose en imágenes a nanoescala y en documentos de épocas posteriores, el historiador del arte conoce ahora el método utilizado en el siglo^XV: primero se martilleaba el oro y la plata por separado para producir láminas finas, por lo que la película de oro tenía que ser mucho más fina que la de plata. A continuación, se trabajaban las dos láminas de metal juntas. Wu describe el proceso: "Para ello se necesitaban herramientas especiales de batido y bolsas con varios insertos de distintos materiales en los que se introducían las láminas", explica Wu. Se trataba de un procedimiento bastante complicado que requería especialistas altamente cualificados.

"Nuestras investigaciones sobre las muestras de Zwischgold mostraron que el grosor medio de la capa de oro era de unos 30 nanómetros, mientras que las láminas de oro producidas en el mismo periodo y región tenían un grosor de aproximadamente 140 nanómetros", explica Wu. "Este método permitía ahorrar en oro, que era mucho más caro". Al mismo tiempo, también había una jerarquía de materiales muy estricta: el pan de oro se utilizaba para hacer el halo de una figura, por ejemplo, mientras que el Zwischgold se utilizaba para la túnica. Como este material tiene menos brillo, los artistas lo utilizaban a menudo para colorear el pelo o las barbas de sus estatuas. "Es increíble cómo alguien con sólo herramientas manuales fue capaz de elaborar un material tan nanométrico", afirma Watts. Los artesanos medievales también se beneficiaron de una propiedad única de los cristales de oro y plata cuando se prensan juntos: su morfología se conserva en toda la película de metal. "Una afortunada coincidencia de la naturaleza que garantiza el funcionamiento de esta técnica", dice el físico.

La superficie dorada se vuelve negra

Sin embargo, las imágenes en 3D sacan a la luz un inconveniente del uso de Zwischgold: la plata puede atravesar la capa de oro y cubrirla. La plata se mueve con sorprendente rapidez, incluso a temperatura ambiente. En pocos días, una fina capa de plata cubre el oro por completo. En la superficie, la plata entra en contacto con el agua y el azufre del aire y se corroe. "Esto hace que la superficie de oro del Zwischgold se vuelva negra con el tiempo", explica Watts. "Lo único que se puede hacer al respecto es sellar la superficie con un barniz para que el azufre no ataque a la plata y forme sulfuro de plata". Los artesanos que utilizaban Zwischgold eran conscientes de este problema desde el principio. Utilizaban resina, cola u otras sustancias orgánicas como barniz. "Pero a lo largo de cientos de años esta capa protectora se ha descompuesto, permitiendo que continúe la corrosión", explica Wu.

La corrosión también favorece la migración de más y más plata a la superficie, creando una brecha debajo del Zwischgold. "Nos sorprendió la claridad con la que se podía ver este hueco bajo la capa de metal", dice Watts. Especialmente en la muestra tomada de la túnica de María, el Zwischgold se había desprendido claramente de la capa base. "Esta brecha puede causar inestabilidad mecánica, y esperamos que en algunos casos sea sólo la capa protectora sobre el Zwischgold la que mantenga la lámina metálica en su lugar", advierte Wu. Esto supone un gran problema para la restauración de objetos históricos, ya que el sulfuro de plata se ha incrustado en la capa de barniz o incluso más abajo. "Si eliminamos los antiestéticos productos de la corrosión, la capa de barniz también se desprenderá y lo perderemos todo", dice Wu. Espera que en el futuro sea posible desarrollar un material especial que pueda utilizarse para rellenar el hueco y mantener el Zwischgold adherido. "Utilizando la tomografía pictórica, podríamos comprobar lo bien que cumpliría su cometido un material de consolidación de este tipo", dice la historiadora del arte.