当你想到肥皂时，你可能会首先想到液体泡沫和固体块，它们可以洗去污垢和细菌。然而，并不是所有的肥皂都是清洁剂。在艺术保护界，金属羧酸盐，也被称为“金属皂”，是不受欢迎的：它们在持续的化学反应中形成，随着时间的推移，可能会破坏油漆的完整性和油画的外观。
尽管这些化合物早就在油画中被发现，但令人惊讶的是，人们对它们是如何形成并进而破坏这些艺术作品的知之甚少。最近，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员使用基于红外光的新方法，在多个细节层次上识别这些金属皂的成分和分布。他们的发现可能最终帮助艺术保护人员更好地保护油画。
油画在肉眼看来是不会变的。然而，在湿度和温度等环境因素的驱动下，油和色素之间会不断发生微观水平的化学反应。随着时间的推移，几年或几个世纪，由此产生的金属皂都会导致油漆降解，例如油漆层开裂或剥落。
就像浴皂是由脂肪酸分子与钠离子结合而成一样，金属皂也是由脂肪酸分子组成的，当油漆中的油、水分和氧发生反应形成脂肪酸分子后，就会与从颜料中滤出的金属离子结合。含有锌和铅等金属的颜料的油漆通常会形成金属皂。
在这项研究中，研究人员分析了艺术家让·巴蒂斯特·卡米尔·科罗（Jean-BaptisteCamilleCorot）的一幅19世纪法国绘画作品《带曼陀林的吉普赛女人》（GipsyWomanwithMandolin），该作品被华盛顿特区国家艺术馆收藏。
NIST的研究员安德里亚·森特罗内（AndreaCentrone）说：“这幅画已经存在金属皂问题。它有13层颜料，最起码顶层已经退化。他们想把绘画恢复到最初的外观状态，并在微观层面上了解绘画顶层发生了什么。”
为了尽量减少对这幅画的损坏，研究人员用外科手术刀从退化区域取了一个小样本。对顶层的成分进行了分析，他们很快确定油漆由干油、钴绿和铅白色颜料以及金属皂组成。然后，他们用三种不同的红外光技术对金属皂进行了表征，这些技术揭示了从微米到纳米的细节。
第一种方法称为红外显微镜，通常用于识别样品的化学成分，因为材料或分子吸收的红外光的特定波长（颜色）相当于指纹。使用最先进的红外显微镜，可以识别金属皂的普遍存在，但无法识别具体的个别类型。
“光学显微镜的一个基本限制是，光不能聚焦到小于其波长一半的光斑上，”森特罗内说：“红外光的波长在2到20微米之间，虽然听起来很小，但它太大，无法以纳米级的空间分辨率测量细节。”
研究人员在工作过程中了解到，纳米尺度的空间分辨率对于解决涂料的原始成分及其变化副产品如何混合至关重要，这对于更好地理解涂料中的化学反应是必要的。为了了解更细微的细节，研究人员使用了两种依靠“技巧”绕过通常分辨率限制的方法。在加利福尼亚州圣巴巴拉的光热光谱公司实验室，他们使用了一种称为光学光热红外光谱（O-PTIR）的技术。
在O-PTIR中，来自脉冲红外激光器和恒定绿光激光器的光都聚焦在样品上。红外光脉冲通过一系列不同的红外波长循环，加热样品。加热后的样品反射一定量的绿色激光，这取决于它在每个波长吸收多少红外光。
由于绿色激光（纳米）的波长比红外波长小得多，它可以聚焦到更小的点，有效地提供红外光谱，从而提供样品化学成分的细节，分辨率约为纳米（十亿分之一米）。
“样品吸收的波长就像指纹，可以用来识别特定的化合物，”森特罗内说。利用这项技术，研究人员发现样品中含有多种锌皂，但不含铅皂。他们确定了特定种类的锌皂，如硬脂酸锌和油酸锌，它们是致密有序（结晶）的金属皂，以及普遍无序（无定形）的锌皂。
由于无定形锌皂的无序结构，研究人员认为它允许水、离子和其他化合物的缓慢传输或扩散，然后这些化合物可能发生反应，促进金属皂簇的形成和生长。然而，空间分辨率不足以看出三种金属皂在样品中的分布情况。
为了阐明他们的观点，研究人员在马里兰州盖瑟斯堡的NIST校园使用了一种称为光热诱导共振（PTIR）的技术。在PTIR中，来自脉冲红外激光器（也有一定波长范围）的光加热样品，每个脉冲后样品迅速膨胀和收缩。样品在原子力显微镜悬臂梁的尖端上脉动，悬臂梁开始像被敲击的音叉一样振动。研究人员测量了悬臂振动的程度，以确定样品吸收了多少光。
通过这种方式，PTIR通过扫描样品表面的尖端，提供分辨率为10到20纳米的化学图谱和红外光谱。虽然PTIR提供了最高的空间分辨率，但由于用于构建图像的像素非常小（10nm×10nm），因此绘制采样区域需要更多时间。
O-PTIR能够在nm的范围内快速识别化合物，而传统的红外显微镜最有助于评估大面积油漆成分的变化。这种多尺度的方法可以帮助艺术保护者识别和评估不同种类的金属肥皂的影响，更好地理解它们是如何产生的，以及它们在油漆中是如何相互作用的。