首届文化科技融合发展大会嘉宾发言摘登 || 杨益民
来源:丝路规划研究中心官网 | 作者:研究联络部 | 发布时间:2023-09-26 | 616 次浏览 | 分享到:

人工合成铅白颜料的探源


中国科学院大学教授杨益民


古代科技跟艺术的结合是非常紧密的。科技与艺术是与生俱来的一种联合体,包括人类最早制造工具——石器本身就是一种造型艺术,三四万年前的细石叶是非常精美的,在当时的条件下,是非常好的艺术品。

科技和艺术是与生俱来的一种复合体,曾有一段时期科学和艺术分开了,但现在科学和艺术又在合流。艺术在人类的早期促进了人的发展,不仅是人的抽象思维的发展,也促进人的智力发展,今天的艺术教育也是非常重要的。


人工合成铅白颜料的探源某种程度上体现了科技与艺术共同发展。色彩的运用很大部分涉及到颜料的应用。在颜料里面有人工合成的原料、天然的颜料,铅白就是一个非常早的人工合成颜料。

人工合成颜料是人在几万年前对天然颜料的感悟。把天然的氧化铁矿物经过加热变成纳米级的氧化铁,颜色会显得更鲜艳,人们将其用在绘画或者是装饰中,这发生在欧洲和西亚。中国虽然发现了四万年前对红色颜料的加工,但不一定能够做到纳米级。

铅白是在绘画、壁画、化妆品中用的最为广泛的一种颜料。“白”是一种基体,在一张白纸上才好绘画。铅白是一个比较宽泛的概念,包括碳酸铅或者水白铅矿、白铅矿甚至是两者的混合物。中国古代对它有很多的记载,比如说胡粉等等。

早期人类采集了天然的铅白矿石磨成粉。目前考古学家发现在巴尔干半岛,公元前4000年左右,在小罐子里面发现了铅白,把天然的铅矿磨成粉。古埃及大概在公元前3000年发现了天然的铅白。还有在公元前2500年的两河流域、公元前3000年的古代伊朗、公元前2000年的古代印度河谷(今天的巴基斯坦)也发现了铅白。

在中国一些晚期的记载里面,《墨子》认为在大禹的时候做了铅白粉矿,后期在《事物纪原》里记载是周文王的时候开始传粉。总之,之前考古发现基本上在公元前4000-1000年,我国在铅白矿使用上有很大的空白。

人工合成铅白在公元前500的希腊有历史记载,也有考古发现。他们把铅条做成一个卷,在醋酸液体的上方,下面用马粪加热,用醋酸的蒸汽跟铅条反应能够生成铅白。这样就涉及到一系列气体跟固体的反应,虽然看起来只是一个初中的化学反应方程式,但是对古人来讲能够发现这一点确实是很不容易的。在这个过程中醋酸的使用是非常关键的。公元前一千几百年的时候,古人已经掌握了醋的酿制。醋不是天然存在的,通过人工发酵才有了这个物质。

古希腊有不同时代的记载,从公元前几百年一直到公元元年左右都记载了用醋酸蒸汽加热铅条获取人工铅白。中国也有一些记载,比如春秋时期的记载,最著名的“黑铅之错,化为黄丹,丹之再化之成水粉。”西汉的记载“取胡粉烧之,令如金色。”比如说东汉记载“胡粉投火中,色坏还为铅。”这个相对来讲记得还是比较模糊,所以是不是反映了人工合成铅白在中国开始合成?这个就需要一些新的技术手段来判断。

古代希腊有文献记载,通过碳14测年技术,铅白里面有碳酸根。碳酸根如果是天然的话,碳14测年的年代就会非常老,就不是当时的使用年龄,如果是当时合成使用的,测年的年代就应该跟它的出土年代是近似的。利用碳14测年最近几年才用于铅白的测年。非常有名的油画距今几百年,油画造假是很常见,但通过铅白的测年可以鉴定是否存在油画造假行为。

人工合成铅白有一个方法,就是铅的氧化物和醋酸反应以后生成铅白,这个称之为湿化学沉淀法,不像做冶金、陶瓷是通过高温加热,只在溶液里面加热,它的温度肯定不会超过100度,这叫湿化学,不是所谓的固体化学方法。

“黑铅之错,化为黄丹。”黄丹可以很自然的想到一氧化铅,也是非常有名的原料。黄丹再变成水粉,也就是铅白,有没有这样的过程?在中国的文献能不能这么解释?都存在很大的争议。

有两种常用的合成铅白的方法,一种是腐蚀法,比如说醋酸蒸气跟铅直接反应,形成片状的。另一种是在水溶液里面发生的,形成长条状的或者双锥形状的,这个现代科学从形貌上已经研究的很清楚了。兵马俑的时候已经使用了铅白颜料,但是当时是鉴定出来,并没有探讨里面是天然的还是人工合成的。

在过去的几十年,从上世纪50年代开始,一些著名的科技史学者就探讨了铅白的问题,认为铅白在东西方晚期的文献里面都记载了它的人工合成。人工合成铅白的起源是从西方向东方传播,还是说从东方向西方传播?不同的学者有不同的观点。

最近几年,在山西梁带村遗址发现了大量的铜罐,称为微型铜罐,考古学家把它叫做“弄器”,意思是可以在人的手上玩弄的器具。青铜器本身也是非常精美的艺术品,就像今天装香水的瓶子或鼻烟壶都做得很精美,都是拿在手上可以把玩的。“弄器”打开以后里面可以看到器盖子和底部都有白色的颗粒,在这几个墓葬里面都发现了这些白色晶体。

这些白色晶体,在电镜下分析就可以看到很多棒状的晶体,打出来是含铅、含碳成分比较多一点。成分只是一个最基本的分析,再经过结构的分析,比如说红外、X射线等,可以判断确实里面有碳酸铅。此外还有另外一种比较特殊的铅矿,称之为角铅矿,这是自然界中非常少的一种铅矿,一旦发现这个一般就认为它是人工合成的。世界上最早的角铅矿是在古埃及,在公元前2000多年。这种合成的步骤非常繁琐,因为角铅矿里面含有氯离子,合成步骤更多,不像合成碳酸铅那么快捷。

角铅矿的发现本身就可以说明它是一种人工合成铅白。我们也做了碳14测年,这需要一二十毫克的碳酸盐样品,但是考古中发现的本来就少,不可能都取了分析,因此没有每个样品都测年,只是选了两个样品进行测年。从古文献推出来红色的棒状是墓葬的年代。碳酸铅的年代跟墓葬年代还是非常接近的,因此无论是从年代学、碳14测年还是矿物组成,都可以判断它是人工合成铅白。再结合矿物的形状,它是溶液法沉淀形成的铅白。

为什么既有碳酸铅又有角铅矿呢?纯碳酸铅就是一氧化铅+醋酸就可以反应生成。在反应过程中加点食盐氯化钠就可以形成角铅矿,步骤更为繁琐一点,只做纯碳酸铅要简单很多。

一氧化铅怎么来的呢?春秋时期是青铜时代,青铜文化非常发达,有专门的铅锭生产,稍微一加热很容易发现一氧化铅。现在考古界没有发现那个时候有单独的一氧化铅颜料的使用。醋酸在春秋时期已经有大规模的官方生产了,甚至在《周礼》里面记载了有一类官职叫“醯人”,专门掌管醋酸的生产。完全可以推测醋酸生产出来以后,正好装在青铜器里面。青铜器受热产生的一氧化铅,再与醋酸反应就会形成碳酸铅就是铅白。首先要有青铜时代,第二要有大规模醋的生产,在偶然的条件下就很容易产生人工合成铅白技术。铅变成一氧化铅,再由醋酸变成碳酸铅,这样与考古的发现和科技的分析比较一致。

那么,铅白的起源是来自东方还是西方呢?从年代学来看,春秋晚期是公元前700年,希腊是公元前500年,所以不可能是西方传到东方。从工艺学来讲,古希腊用醋酸蒸汽跟铅条反应,而我国是将一氧化铅放在醋酸溶液里,这两种合成方法也不一样。因此,可以得出结论:铅白是东西方各自独立起源的。

关于制作铅白的用途,要回到“弄器”上来说。这类“弄器”在战国时期广泛发现,在稍大点的诸侯墓地都会有所发现。当时考古学家推测它是用来装化妆品的,而发现的铅白也证实了这一点。

在古代,铅白被称为铅华,比如粉白黛黑、脂泽粉黛等等。《庄子》里面说“肌肤若冰雪”,《诗经》里面提到“肤如凝脂”,这些都是对白色的推崇。可以想象,正是因为对白色的推崇,所以才会有对艺术的追求,才会有人工合成铅白技术的出现以及大规模的扩散。所以这可能是对美的追求、对艺术的追求所致,也会促进科技的发展。

在公元前500年,东西方都出现了铅白。它一出现以后,便可以低成本、大规模地生产,在公元前500年以及之后出现了广泛的使用,可以说在当时出现一场化妆品革命,甚至也存在男性墓里。比如在秦兵马俑绘画上开始出现铅白,这自然会引起绘画上的革命。在春秋时期还发现,不仅用了铅白,还用了天然矿物。比如发现了钟乳石+牛的脂肪的物质,这也是为了化妆使用的。真正铅白的广泛使用是在秦汉时期。

人工合成铅白也是东周工业革命的一部分。在东周的时候陶瓷、玻璃、冶金等兴起,还有蜂蜡、纺织品、骑马等都是在东周时候发现的。可见,科技与艺术密不可分。再审视一下东周这些器物的造型,也是一场艺术革命,不仅是制造业上的一种大的变化,在艺术上也是一个大的变化。

中国如此,相信外国也是如此。在古代艺术品交流分析里面,不仅要从艺术学上去分析。如果分析里面的一些科技含量,也许能得到更多一些文化交流与古代科技的发展信息,这些都非常有意义。


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