Zofia Śmiałek

Politechnika Warszawska

Są jednak takie miejsca, w których raczej nie przychodzą nam tak łatwo do głowy refleksje na temat chemii czy fizyki. W galeriach sztuki zwykle nie doszukujemy się działania skomplikowanych procesów chemicznych. Skupiamy się na tym, co dzieło, na które patrzymy, reprezentuje, a nie na tym, jak to jest możliwe, że wygląda w określony sposób. Lecz za pięknem większości z tych dzieł stoi potężny arsenał w postaci reakcji chemicznych i zjawisk fizycznych. Żeby jeszcze lepiej zrozumieć świat sztuki, warto przyjrzeć się choć kilku z nich bliżej.

Papier – coś tu się nie klei

Zacznijmy od jednego z najbardziej rozpowszechnionych materiałów, na którym artyści tworzą swoje dzieła. Na pewno każdy zdaje sobie sprawę, że obecnie większość rodzajów papieru powstaje z drzew. Ci, którzy znają się na morfologii drewna trochę lepiej, mogą też domyślać się, że to, co wykorzystywane jest do produkcji papieru, to włókna celulozowe. Im więcej celulozy w papierze, a mniej innych związków organicznych pozostałych po niedokładnej obróbce włókien, tym lepszej jakości jest produkt.

Nie tak oczywistym jest jednak, w jaki sposób włókna łączą się, tworząc arkusz. Najbardziej intuicyjną odpowiedzią byłoby wykorzystanie klejów. Klej pełniłby tutaj funkcję spoiwa, sprawiającego, że arkusze utrzymują nadaną im w papierniach formę. Natomiast, mimo iż w papiernictwie rzeczywiście występuje pojęcie stopnia zaklejenia, to wcale nie klejom zawdzięczamy trwałość tego materiału. Na rynku występują papiery stworzone w stu procentach z włókien celulozowych, bez grama kleju ani wypełniaczy. Uważane są one nawet za najtrwalsze. Co więc zapewnia papierowi trwałość? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, musimy przyjrzeć się bliżej budowie włókien celulozowych.

Celuloza występuje przede wszystkim we włóknach roślinnych. Najwięcej jej posiada bawełna (ok. 92%), trochę mniej len (ok. 70%) i drewno (ok. 40%)1. Jest ona polisacharydem, czyli długołańcuchowym cukrem zbudowanym z połączonych cząsteczek glukozy. Glukoza zaś zbudowana jest z sześcioczłonowego pierścienia węglowodorowego oraz przyłączonych do niego grup hydroksylowych (-OH).

We włóknach cząsteczki celulozy w większości zorientowane są równolegle do siebie, a odległości między nimi są bardzo niewielkie. Takie ułożenie łańcuchów oraz obecność w cząsteczkach wolnych grup hydroksylowych sprawia, że grupy te zaczynają między sobą oddziaływać. Tworzą się wiązania wodorowe, które są wystarczająco silne, żeby połączyć ze sobą cząsteczki celulozy. To właśnie dzięki wiązaniom wodorowym możliwe jest utworzenie trwałego arkusza papieru, który składa się z tysięcy takich włókien2.

Wiązania wodorowe są zaliczane do grupy wiązań słabych i nie potrzeba wiele, żeby naruszyć ich trwałość. Tak można wytłumaczyć zjawisko rozmiękania papieru w kontakcie z wodą. Po wrzuceniu kartki do wody zaczyna ona mięknąć, a po nieostrożnym dotknięciu może się z łatwością rozerwać. Cząsteczki wody dostają się między wiązania wodorowe w łańcuchach i przedłużają je. W efekcie namoczona kartka papieru zwiększa nieco swoje wymiary. Ilość cząsteczek wody nie może jednak zwiększać się w nieskończoność. Z wiązaniami wodorowymi jest bowiem jak ze związkami na odległość. Podobnie jak kilometry dzielące partnerów często osłabiają związek i drobny konflikt może nim łatwo zachwiać, tak samo zbyt duża ilość wody między łańcuchami celulozy sprawia, że oddziaływania w wiązaniach słabną. Nagromadzenie wody między łańcuchami osłabia wiązania, przez co ich rozerwanie wymaga mniej energii. Wystarczy nieostrożnie dotknąć taką rozmiękniętą kartkę papieru, żeby z łatwością rozerwać wiązania. Jednak ponowne zmniejszenie dystansu poprzez usunięcie cząsteczek wody, sprawia że odzyskują swoją siłę. Ludzkie ciało również można by uznać za środowisko wodne w kontekście papieru. Dlatego też, kiedy ze stresu na egzaminie zaczynają pocić się nam ręce, prawie zawsze oddajemy niezbyt estetycznie pofalowaną kartkę.

Kolory – dlaczego Słoneczniki są żółte, a Gwieździsta noc niebieska?

Najważniejszym elementem dzieła sztuki, obok formy i kompozycji, jest zwykle kolorystyka. Oddaje nastrój przedstawionej sceny, może być użyta jako symbol lub przekazywać emocje. Bardzo często kolorystyka jest jednym z kluczowych środków wyrazu. Mimo że temat barwy poruszany jest na zajęciach z fizyki w każdej podstawówce, to muszę przyznać, że już po kilku latach, nie pamiętałam z tego działu zbyt wiele. A warto wiedzieć, bo czym byłby świat bez kolorów?

To, co ludzkie oko odbiera jako barwę, to docierające do niego i przetworzone przez mózg promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie światła widzialnego. Długość fali promieniowania widzialnego mieści się między ok. 400 nm (kolor niebieski) a ok. 730 nm (kolor czerwony). Proste doświadczenie z pryzmatem pokazuje, że światło białe można rozszczepić na poszczególne fale odpowiadające barwom widma i odwrotnie – po zmieszaniu wszystkich składowych światła widzialnego, o różnych długościach fal, otrzymujemy barwę białą. Biel często jest postrzegana jako coś nudnego i bez wyrazu – ale w rzeczywistości to najbogatszy z kolorów, w którym kryje się pełne spektrum barw! Jako zjawisko fizyczne barwa jest wynikiem selektywnego pochłaniania lub emisji określonych długości fal z widma, a więc konkretnych kolorów. Jeżeli obiekt absorbuje pewną długość fal, to odbijać się będą od niego pozostałe. Będzie miał zatem barwę komplementarną do pochłoniętej. Tak, to brzmi nieco skomplikowanie, ale oto przykład, który może to rozjaśnić: obraz Gwieździste niebo jest niebieski, ponieważ farby użyte do jego namalowania pochłaniają długości fal o odcieniach pomarańczu, a odbijają niebieskie. Podobnie jest z innymi kolorami – widzimy te barwy, które dany obiekt odbija, a nie pochłania. Jeżeli obiekt odbija wszystkie długości – będzie miał kolor biały, a jeżeli wszystkie pochłania – czarny. Barwy komplementarne można przedstawić na kole barw.

Przy wyborze farb i innych produktów artyści zwracają uwagę nie tylko na ich kolor. Bardzo ważnym parametrem używanych przez malarzy farb jest ich poziom krycia, czyli to, jak bardzo farba jest przezroczysta. Przejrzystość danego materiału, lub jej brak, tłumaczy zjawisko załamania światła. Bywa tak, że promień świetlny padający na granicę powietrze-materiał (w tym przypadku powierzchnia obrazu) zostaje odbity tylko częściowo. Częściowo zaś, zamiast zostać pochłonięty (wtedy mielibyśmy do czynienia z kolorem kryjącym o barwie komplementarnej do pochłoniętej), przechodzi do ośrodka i ulega załamaniu. Im niższy jest współczynnik załamania światła (czyli gdy stosunek kąta padania i załamania jest mały), tym bardziej przezroczysty jest materiał. Oznacza to, że światło z łatwością przechodzi przez materiał i odbija się od kolejnego ośrodka, nie zmieniając znacząco kierunku. Do naszych oczu dociera ono niezmienne lub zmienione w niewielkim stopniu. Każdy materiał ma swój, mierzalny doświadczalnie, współczynnik załamania światła. Poprzez dobór odpowiednich pigmentów o różnych współczynnikach można sterować poziomem krycia danej farby3.

Niszczenie – ach, to światło!

Nic na tym świecie nie jest trwałe. Tak jak żaden człowiek nie żyje wiecznie, tak każdy obraz czy rzeźba z czasem niszczeje i dąży do ogólnego rozkładu. Niekiedy względnie łatwo da się zatrzymać proces starzenia i uchronić dzieło przed destrukcją. Są jednak takie czynniki niszczące, którym trudno zapobiec i, mimo iż wydają się bardzo niepozorne, mają fatalny wpływ na dzieła. Jako była studentka Konserwacji Zabytków nie mogłabym nie napisać chociaż kilku zdań o tych „cichych zabójcach”.

Wiązania chemiczne występują wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z materią bardziej złożoną niż pojedynczy atom w przestrzeni. Każde z nich potrzebuje określonej ilości energii do utworzenia go i zerwania. Światło, bo to ono jest najcichszym zabójcą, jako fala elektromagnetyczna, przenosi energię, która zdolna jest te wiązania zerwać. W przypadku dzieł sztuki (ale też wszystkich innych obiektów) o niskiej stabilności chemicznej światło stanowi bardzo poważne zagrożenie. Najbardziej obrywa się barwnikom i pigmentom, czyli barwnym związkom organicznym i nieorganicznym. Związki zawierające jony żelaza i miedzi utleniają się pod wpływem działania promieniowania UV. Ultrafiolet znajduje się co prawda poza pasmem widzialnym, ale również emitowany jest przez Słońce i dociera do powierzchni Ziemi. Utlenione związki żelaza i miedzi nie tylko zmieniają swój pierwotny kolor, lecz także często stają się katalizatorami kolejnych destrukcyjnych dla obiektów reakcji4. Nawet w przypadkach, w których utlenianie nie zachodzi, często występuje zjawisko blaknięcia. Jak już wiemy, pigmenty i barwniki absorbują światło o określonych długościach fal. Tylko część z nich jest odbijana. Do wiązań związków chemicznych dostarczane są więc porcje energii, często przewyższające ich energię. Po pewnym czasie ekspozycja na światło powoduje ich rozpad. Zdegradowane związki nie mają już barwnych właściwości i zaczynają odbijać światło. W taki sposób kolory płowieją, czyli stają się jaśniejsze.

Na szczęście sposób na powstrzymanie zniszczeń, w przypadku światła, jest bardzo prosty, choć często spotyka się ze sprzeciwem muzealników. Dzieła sztuki wystarczy przechowywać w zaciemnionych, suchych (ale nie zbyt suchych!) miejscach i unikać bezpośredniej ekspozycji na światło słoneczne. To właśnie stąd wynika mroczny klimat wielkich galerii sztuki dawnej. Ograniczenie naświetlania dzieła to jedyny sposób na uchronienie go przed blaknięciem.

Sztuka to nie tylko forma, materiał czy kolorystyka. Temat, interpretacja albo walory estetyczne są niezwykle ważne i stanowią istotę każdego dzieła. Jednak, pomijając przy odbiorze sztuki tę jej fizyczną formę, można stracić pewną, mało oczywistą perspektywę. Nauka, jako coś odrębnego od kultury, postrzegana jest często jako chłodna i logiczna. A jednak to właśnie ona, w połączeniu z inwencją ludzkiego umysłu, potrafi stworzyć najbardziej wyjątkowe piękno.

Autorką artykułu jest Zofia Śmiałek, zwyciężczyni III miejsca w konkursie "O nauce po ludzku"

Literatura:

Hopliński J. (1987), Farby i spoiwa malarskie, Wrocław: Zakład Narodowy im. Ossolińskich.

Roberts J.D., Caserio M.C. (1969), Chemia organiczna, Warszawa: Wydawnictwo PWN.

Rudniewski P. ​​i in. (2018), Pigmenty. Analiza mikrochemiczna i instrumentalna, Warszawa: Akademia Sztuk Pięknych w Warszawie.

Sobucki W. (2013), Konserwacja papieru. Zagadnienia chemiczne, Warszawa: Biblioteka Narodowa.

Sobucki W., Jeżewska E. (2015), Wiedza o papierze dla konserwatorów zbiorów, Warszawa: Biblioteka Narodowa.

Zerek B. (2017), Profilaktyka konserwatorska wobec problemu oświetlenia podczas wystaw, Biblioteka Narodowa, dostępny w Internecie: https://notes.bn.org.pl/upload/pdf/85336_Zerek(3)_s.%2039_notes_19_2017.pdf [data dostępu: 12.05.2021].