Ins en outs van laserablatie
Weblog
In Nederland zijn ruim 3200 bronzen (geregistreerde) voorwerpen uit de bronstijd bekend. Het zijn archeologische vondsten van zwaard tot bijl, en van armband tot mantelspeld. Van veel van die vondsten, soms tot wel 4000 jaar oud, weten we niet waar het materiaal vandaan komt. Een nieuw onderzoeksproject wil daar nu verandering in brengen. In een serie blogs neemt het projectteam ons mee in hun onderzoek. Blog vier gaat dieper in op de techniek van laserablatie.
In ons project proberen we zo klein mogelijke monsters te nemen van het originele brons. Dat is voortdurend zoeken naar een goede balans. We willen de minste impact op de voorwerpen, maar ook de grootst mogelijke opbrengst aan nieuwe verhalen. Maar hoe doe je dat bijvoorbeeld bij de superdunne brilfibula’s die in 2015 zijn gevonden bij de aanleg van de Markerwaardweg (Noord-Holland)? Ook voor de unieke stukken uit de collectie van het Rijksmuseum van Oudheden in Leiden was de afspraak deze zo min mogelijk te beschadigen. Zulke objecten, te dun of te kwetsbaar voor het 1 mm-boortje, komen in aanmerking voor laserablatie. Draagbare laserablatie oftewel portable laser ablation (pLA), om precies te zijn.
Portable laser ablation (pLA)
Draagbare laserablatie is een bijzondere vorm van monstername voor loodisotopen. Het bestaat uit een overzichtelijke set aan apparatuur die precies in een grote rolkoffer past. Centraal in de opstelling staat de laser. Die produceert een gepulseerde, hete laserstraal. Dit deel is afgeschermd door een gevouwen ‘huisje’ van doorzichtige platen. Zo ontstaat er een relatief schone monsterruimte, zonder stof en andere mogelijke vervuilingen. De optische laserablatiemodule zorgt ervoor dat we via een laptop kunnen meekijken. Verder bestaat de set uit een monsterhouder en membraanpomp. Die laatste zuigt de superkleine druppels (nanopartikels) van het verdampte brons op en vangt ze in een teflon filter dat weer verpakt zit in een kleine siliconen capsule. Het filter is in feite het monster waarvan uiteindelijk de loodisotoopverhoudingen zullen worden bepaald. Dat gebeurt door multi-collector inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (MC-ICP-MS), een techniek die we in een toekomstige blog verder toelichten.
Vier in de wereld
De pLA die wij gebruiken, is van de Vrije Universiteit van Amsterdam (VU) en wordt bediend door Stephen Merkel. Hij is – samen met Gareth Davies – een expert op het gebied van loodisotopen. Beiden zijn met hun kennis en ervaring belangrijke partners in het project. De pLA van de VU is een van de vier exemplaren in de wereld, en de enige in Europa die nu operationeel is.
De techniek is inmiddels zo’n tien jaar oud en is op tal van materialen ingezet. Op metalen (goud, zilver, koper, brons), maar ook op glas, aardewerk en steen (jade, obsidiaan). De handzame set biedt allerlei voordelen, zeker voor museumcollecties. Door in het museum of depot te bemonsteren, hoeven de voorwerpen zelf geen lange weg af te leggen naar een laboratorium. Verder maakt het niet uit hoe groot een object is, wat wel het geval is bij in situ inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie. In dat apparaat passen alleen kleine voorwerpen. Het allergrootste voordeel van laserablatie is dat de monstername geen visuele impact heeft op de voorwerpen.
Hoe klein is klein?
De monstername werkt als volgt: eerst bepalen we het loodgehalte van het voorwerp. Dat doen we met een draagbaar röntgenapparaat (pXRF), dat de samenstelling van het bronsoppervlak meet, zonder het te beschadigen. Is het loodgehalte hoog, dat wil zeggen hoger dan 2%? Dan hoeft er maar één keer worden gebrand met de laserstraal. Is het loodgehalte lager? Dan moeten we vaker laseren, tot soms wel 20 keer. Meer dan dat doen we niet. De blootstellingstijd is telkens 1 minuut. Zo ontstaat een vlekje met een doorsnede van 100 μm en 150 μm diep. Dat is best klein als je bedenkt dat een gemiddelde haardikte ongeveer 60 μm is.
Patina en ijzerkorst
De meeste bronstijdobjecten hebben een grijsgroene oxidatielaag (‘patina’) of een oppervlak waarop ijzer is neergeslagen (ijzerkorst). Dit zijn de effecten van een eeuwenlang verblijf in de bodem. Bij zowel pXRF als pLA richtten wij ons op die gedeeltes van het object waar die buitenlaag dun is of ontbreekt. Bijvoorbeeld op recente krassen. Zo komen we zo dicht mogelijk bij het oorspronkelijke bronstijdmetaal. Bovendien is het bronsoppervlak van zulke oude voorwerpen niet glad: het zit vol met kleine vlekjes en ‘kuiltjes’. Ook dat maakt dat de ablatievlekjes met het blote oog niet zichtbaar zijn. Alleen met een loep of microscoop zijn ze te zien, als goudkleurige stipjes op het bronsoppervlak.
Deze blog is geschreven door Liesbeth Theunissen (RCE) en Stephen Merkel (VU)