Glass formation and selective crystallization link Chinese purple octagonal prisms with lead barium glass

Seit Jahrhunderten beherrschten alte chinesische Kunsthandwerker die Kunst, Materialien zu erschaffen, die wie Jade aussah, aber von Menschenhand gemacht waren. Unter ihren beeindruckendsten Erfindungen waren tiefviolette, achteckige Prismen und eine Art von Glas, das mit einer Blei-Barium-Basis schimmerte. Lange Zeit behandelten Wissenschaftler diese beiden Schöpfungen als getrennte Technologien. Das eine wurde als Pigment oder fester Kristall betrachtet, während das andere als eine geschmolzene, glasartige Substanz angesehen wurde. Sie teilten ähnliche Inhaltsstoffe – Blei, Barium, Silizium und Kupfer – aber weil die fertigen Objekte so unterschiedlich aussah und sich verhielten, nahmen die Forscher an, dass sie durch völlig unterschiedliche Wege entstanden seien. Die Frage, die lange im Raum stand, war, ob diese beiden Materialien tatsächlich ferne Cousins sind oder ob sie in Wahrheit Geschwister sind, die aus demselben Feuer geboren wurden und lediglich auf unterschiedliche Weise abgekühlt wurden.

Eine neue Studie eines einzelnen violetten Prismas, das in einem Grab in Xianyang, China, gefunden wurde, hat diese Frage schließlich beantwortet, indem sie in das Innere des Objekts blickte. Die Forscher nahmen einen Querschnitt aus einem Prisma, das aus der Zeit der Streitenden Reiche bis zur Qin- und Han-Dynastie stammt (vor etwa 2.000 Jahren), und untersuchten es von der Mitte bis zum äußeren Rand. Sie betrachteten nicht nur die Oberfläche; sie kartierten die chemische Zusammensetzung und die mikroskopische Struktur jeder Schicht. Was sie entdeckten, war, dass der violette Kristall und das glasartige Material keine zwei separaten Dinge sind, die miteinander vermischt wurden. Stattdessen bildeten sie sich gleichzeitig innerhalb desselben heißen Materials. Die Studie zeigt, dass die antiken Macher mit einer einzigen, komplexen Mischung arbeiteten, die je nach der Art und Weise, wie sich die Hitze bewegte und wie sich die Inhaltsstoffe absetzten, an einigen Stellen zu Glas und an anderen zu festen violetten Kristallen werden konnte.

Das Objekt, das sie untersuchten, ein massives violettes achteckiges Prisma von etwa der Breite eines Fingers, stammte aus einem Grab, in dem viele ähnliche Gegenstände bestattet waren. Während andere Objekte vom selben Fundort Glasperlen enthielten, war dieses Prisma einzigartig, da es eine solide, ungelochte Form besaß. Die Forscher bemerkten, dass das Prisma nicht einheitlich war. Das Zentrum war dunkel und dicht, während die Ränder heller und stärker zerklüftet waren. Um zu verstehen, warum, nutzten sie leistungsstarke Mikroskope und chemische Scanner, um die Reise der Elemente nachzukonstruieren, während das Objekt abkühlte. Sie fanden heraus, dass die violette Farbe von einem spezifischen Kristall namens Barium-Kupfer-Silikat stammt, dieser Kristall jedoch nicht allein existiert. Er ist in eine Matrix aus Blei-Barium-Glas eingebettet, und die beiden sind untrennbar miteinander verbunden.

Als die Forscher sich von der Mitte des Prismas in Richtung des Randes bewegten, sahen sie eine deutliche Veränderung in der Struktur des Materials. Im dunklen Zentrum war der glasartige Teil stark und kontinuierlich und hielt die Kristalle zusammen. Als sie sich nach außen bewegten, begann das Glas zu zerfallen, und die violetten Kristalle wurden vereinzelter und fleckiger. Der Rand des Prismas war am stärksten beschädigt, voller winziger Risse und Poren, und er zeigte Anzeichen dafür, dass das Glas im Laufe der Jahrhunderte, während es in der Erde vergraben lag, begonnen hatte, sich aufzulösen und zu verändern. Dieser Gradient bewies, dass das gesamte Objekt in einem einzigen, kontinuierlichen Prozess entstand. Die Inhaltsstoffe begannen nicht als ein Haufen Glas und ein Haufen Kristalle; sie begannen als eine heiße, geschmolzene Mischung, die in verschiedenen Bereichen unterschiedlich reagierte.

Der Schlüssel zum Verständnis liegt darin, wie sich die antiken Materialien bei Erhitzung verhielten. Die Studie legt nahe, dass die Mischung aus Blei, Barium, Silizium und Kupfer beim Erhitzen nicht zu einer einzigen, einheitlichen Flüssigkeit schmolz. Stattdessen bildete sie ein komplexes System, in dem einige Teile flüssig wurden und andere fest blieben oder zu Kristallen wurden. In der Mitte des Prismas begünstigten die Bedingungen die Bildung eines glasartigen Netzwerks, das die Kristalle einschloss. In anderen Bereichen wuchsen die Kristalle größer und deutlicher. Die Forsntcher fanden heraus, dass sich die Menge an Kupfer und Blei von der Mitte zum Rand hin leicht veränderte, aber die dramatischste Änderung lag im chemischen Zustand dieser Metalle. Das Kupfer, das dem Objekt seine violette Farbe verleiht, änderte seine interne Struktur, während es sich in Richtung der Oberfläche bewegte, wodurch es weniger effektiv darin wurde, die Farbe zu halten. Ähnlich veränderte das Blei seine chemische Form, wahrscheinlich durch die Reaktion mit der Luft und der Feuchtigkeit im Boden über tausende von Jahren.

Diese Entdeckung verändert unsere Sicht auf die Technologie jener Zeit. Sie zeigt, dass die antiken Töpfer und Glasmacher nicht einfach nur Glas oder nur Pigmente herstellten; sie beherrschten ein Hochtemperatur-Reaktionssystem, das beides gleichzeitig produzieren konnte. Der Unterschied zwischen einem violetten Prisma und einem Stück Glas war nicht ein Unterschied im Rezept, sondern ein Unterschied darin, wie die Hitze angewendet wurde und wie das Material abkühlte. Wenn die Mischung schnell abkühlte oder ein bestimmtes Gleichgewicht der Inhaltsstoffe aufwies, konnte sie größtenteils Glas bleiben. Wenn sie langsam abkühlte oder eine andere Balance der Inhaltsstoffe hatte, konnte sie zu dem violetten Feststoff kristallisieren. Die Tatsache, dass beide in einem einzigen Objekt gefunden werden können, beweist, dass sie zwei Seiten derselben Medaille sind.

Die Studie zeigt auch, was mit dem Objekt nach seiner Bestattung geschah. Der äußere Rand des Prismas erzählt eine Geschichte des langsamen Verfalls. Das glasartige Netzwerk begann abzubauen, was es den Elementen ermöglichte, sich zu bewegen. Das Blei, das ursprünglich Teil der Glasstruktur war, wanderte an die Oberfläche und bildete neue, sekundäre Mineralien. Auch das Kupfer änderte seinen chemischen Zustand und verlor etwas von seiner Fähigkeit, den tiefvioletten Farbton zu erzeugen, was erklärt, warum die Ränder des Prismas heller sind als das Zentrum. Dieser Verwitterungsprozess ist nicht nur eine Oberflächenverfärbung; es ist eine tiefgreifende chemische Transformation, die die Natur des Materials von außen nach innen verändert hat.

Durch die Untersuchung des vollständigen Querschnitts dieses einzelnen Artefakts haben die Forscher zwei zuvor getrennte Forschungsfelder miteinander verbunden. Sie haben gezeigt, dass Blei-Barium-Glas und Barium-Kupfer-Silikate Teil einer gemeinsamen Materialfamilie sind. Die alten Chinesen brauchten nicht zwei verschiedene Technologien, um diese Objekte herzustellen; sie brauchten ein einziges, hochentwickeltes Verständnis dafür, wie Hitze und Chemie interagieren. Das violette Prisma ist nicht nur ein schönes Objekt; es ist ein eingefrorenes Protokoll einer Hochtemperaturreaktion, das den Moment festhält, in dem sich Flüssigkeit gleichzeitig in Glas und Kristall verwandelte. Diese Erkenntnis hilft uns, die Geschicklichkeit der antiken Kunsthandwerker zu verstehen, die in der Lage waren, diese komplexen Reaktionen zu kontrollieren, um Materialien zu erschaffen, die zwei Jahrtausende überdauert haben, selbst während sie sich in der Dunkelheit des Grabes langsam verändern.