Röntgenfluorescentie kan details onthullen over de elementen in een schilderij of potscherf. En die verraden veel over de herkomst en de ontstaanswijze. Dus reizen sinds kort ook commerciële XRF-spectrometers langs musea en opgravingen.

Publicaties waaraan Geert Van der Snickt onlangs meewerkte staan vol afbeeldingen, en dat komt niet alleen door de onderzochte kunst. Zijn werk bij de Universiteit van Antwerpen (AXES-groep) voegt er nieuwe beelden en kleur aan toe. Zo staan in de recente publicatie over Rembrandts schilderij Saul en David verschillende afbeeldingen van hetzelfde schilderij, waarin sporen van lood, ijzer, nikkel of kobalt oplichten.

Van der Snickt noemt die vertaling van meting naar beeld een belangrijke doorbraak. ‘In plaats van monsters te nemen of een puntmetingen uit te voeren die getallen en grafieken opleveren, kun je met een Macroscopic X-Ray Fluorescence-scan de meetwaardes van een heel schilderij visualiseren. Chemische beeldvorming geeft je een totaaloverzicht. Dat heeft een enorme meerwaarde voor kunsthistorici en restauratoren.’

Oude littekens

Van der Snickt en zijn collega’s beschikken over een transporteerbare Macroscopic X-Ray Fluorescence (MA-XRF)-scanner, die met röntgenfluorescentie een compleet schilderij in kaart kan brengen. Hij scant het oppervlak punt voor punt: de meest gedetailleerde instelling ana­lyseert in 20 ms een pixel van 50 bij 50 µm.

Vervolgens zet hij per element de meetwaardes in pixels om in een beeld. Van der Snickt: ‘Pixels met bijvoorbeeld de hoogste concentratie lood maak je wit, pixels zonder lood zwart. Alles ertussen krijgt een corresponderende grijstint. Je kunt ook elk element een kleurtje geven. Normale radiografie geeft maar één beeld, terwijl een schilderij uit verschillende lagen is opgebouwd. Nu krijgt elk element een apart beeld, waardoor je die lagen beter van elkaar scheidt.’

De XRF-scanner kijkt met een chemische bril naar de zichtbare en onzichtbare verflagen in een schilderij. Hij laat bijvoorbeeld zien dat Rembrandt experimenteerde met pigmenten op basis van kobalthoudende blauwe glaspoeders. Ook maakt hij oude littekens zichtbaar. Saul en David zijn ooit gescheiden geraakt en later weer aan elkaar geplakt. Een ontbrekend stuk is toen aangevuld met een compleet ander doek.

'Een medium schilderij is in 24 uur te scannen'

De Antwerpse groep begon de ontwikkeling van de MA-XRF-scanner in 2008. ‘Onze eerste scans op schilderijen van Van Gogh en Rembrandt deden we op de deeltjesversneller in Hamburg’, vertelt Van der Snickt. ‘Daar heb je de ideale omstandigheden voor een nauwkeurige meting. Tot onze verbazing werkte dat ongelooflijk goed. Ik dacht: laten we proberen een mobiel toestel te maken dat we naar het museum kunnen brengen.’

Daarvoor zijn een sterke röntgenstralingsbron en een goede detector nodig, en een set servomotoren die de scankop nauwkeurig over het oppervlak van het schilderij kunnen bewegen. Van der Snickt: ‘Zo zijn we uiteindelijk gekomen tot een apparaat dat vrij eenvoudig is te transporteren en een medium formaat schilderij in 24 uur kan scannen. Daarmee reizen we nu rond.’

Extra informatie

Wat de scanner ‘ziet’ hangt sterk af van de verfsamenstelling, omdat de interactie van röntgenstraling per element verschilt. Dat bepaalt de mate van fluorescentie en wat je ziet op een scan. Daardoor lijken lichte elementen – koolstof, zuurstof , waterstof – in de bindmiddelen van de verf doorzichtig.

‘Rembrandt heeft bijvoorbeeld veel portretten geschilderd met een donkere achtergrond. Dit deed hij met een koolstofhoudende verf’, vertelt Van der Snickt. ‘Die koolstof is voor de scanner heel transparant. In het hoofd van een portret zit vaak veel loodwit, dat röntgenstraling absorbeert. Het fluorescentiesignaal van de lagen onder het gezicht is daardoor veel moeilijker te meten of zelfs niet.’

Daarnaast is het niet altijd mogelijk om precies vast te stellen in welke laag een element zit. Dan is analyse van een paar verfmonsters de manier om de laagopbouw te achterhalen. Maar dat is discutabel, omdat je een origineel stukje uit een schilderij haalt, aldus Van der Snickt. ‘Het voordeel van de XRF-scan is dat je de meeste vragen al kunt oplossen, en voor de resterende vragen kun je veel preciezer de locatie voor een monster bepalen.’

'Ik verwacht dat de scanner steeds meer een basisgereedschap zal worden.’

Schilderijen scannen kan extra informatie opleveren waarmee je een schilderij aan een meester kunt toekennen, vooral als daarover discussie bestaat. Van der Snickt: ‘De uiteindelijke beslissing is altijd aan kunsthistorici, die gespecialiseerd zijn in een meester. Maar die scans leveren wel een bijkomend argument; ze laten zien of het schilderij de juiste materialen bevat voor die meester of die periode in zijn leven. Ook tonen ze hoe het schilderij is opgebouwd uit lagen.’

Enige tijd was Van der Snickts scanner de enige in de wereld, maar samenwerking met fabrikant Bruker leidde begin 2014 tot introductie van een commerciële versie. Daarvan zijn er tot nu toe enkele verkocht, aldus Van Der Snickt. ‘Niet elk museum heeft het budget en de wetenschappers om zoiets te bedienen. De techniek breekt wel geleidelijk door; ik verwacht dat het steeds meer een basisgereedschap zal worden.’

Kleibron

Archeoloog en materiaalkundige Dennis Braekmans, werkzaam bij de faculteit archeologie van de Universiteit Leiden en de TU Delft, gebruikt eveneens XRF. Met een hernieuwde kennis van de elementensamenstelling van opgegraven potscherven, metaal en glas kan hij meer vertellen over waar iets is gemaakt en hoe oude handelsstromen liepen, ook al zijn andere beschavingssporen vrijwel verdwenen.

‘Het oppervlak is misschien niet representatief voor de inhoud’

Braekmans neemt bij veldonderzoek een draagbare XRF-scanner mee, die ondanks zijn compacte formaat inclusief koffer toch nog 10 kg weegt. ‘Het is een snelle techniek’, zegt Braekmans. Het maakt niet uit of het een potscherf of standbeeld is: je plaats het apparaat gewoon op het oppervlak. ‘In zestig seconden doe je een meting en heb je een goed beeld van welke elementen in je monster zitten’, vertelt Braekmans. ‘En je kunt heel veel meetpunten in kaart brengen, zodat je een idee krijgt van allerlei variatie in het oppervlak, zoals vervuiling of verwering. Want dat blijft een nadeel: je meet alleen de elementsamenstelling van het oppervlak, die misschien niet helemaal representatief is voor de inhoud.’

Noord-Tunesisch aardewerk

Op dit moment doet Braekmans onderzoek in Tunesië, naar keramiek van zo’n drieduizend jaar oud. Hij gebruikt XRF-gegevens om te achterhalen of potscherven bij elkaar horen, of om analyses te doen aan collecties in musea, die niet beschikbaar zijn voor labonderzoek. XRF-analyse kan het beginpunt zijn van een zoektocht naar de oorsprong, zoals de kleibron bij keramiek. Dat betekent vaak dat je bodemmonsters moet nemen.

‘De bulkelementen in klei, zoals silicium, magnesium en aluminium, geven vaak al een beeld. Maar soms is die informatie niet specifiek genoeg’, vertelt Braekmans. ‘De windstreken in Tunesië lijken net als de rest van Noord-Afrika geochemisch erg op elkaar. Daarom zoeken we ook naar zogenoemde tracers, mineralen met sporen van zeldzame aarden.’ XRF is een goede eerste stap om interessante monsters te selecteren voor laboratoriumonderzoek. Uiteindelijk kan alleen een inductively coupled plasma-massaspectrometer (ICP-MS) alle elementen, zoals ook zeldzame aarden, in veel meer detail in kaart brengen, aldus Braekman. Bij ICP-MS los je bijvoorbeeld een stukje potscherf op in salpeterzuur en dat ioniseer je in een plasma. Die aanpak levert een completer beeld van alle elementen, ook als die onder het oppervlak liggen.

Volgens Braekmans levert het onderzoek nauwkeuriger tijd- en plaatsbepalingen. ‘Waar je vroeger kon zeggen: dit is Noord-Afrikaans of hooguit Noord-Tunesisch aardewerk, zijn we nu in staat de oorsprong te schatten tot op een afstand van tientallen kilometers.’

Onderwerpen