Compositional and morphological study of a Nuragic bronze figurine with neutron diffraction and neutron tomography

以下に、提供された論文「Compositional and morphological study of a Nuragic bronze figurine with neutron diffraction and neutron tomography（中性子回折および中性子トモグラフィーによるヌラゲ様青銅像の組成・形態学的研究）」の技術的サマリーを日本語で記述します。

1. 研究の背景と課題 (Problem)

サルデーニャ島のヌラゲ文化（紀元前 12 世紀〜紀元前 8 世紀頃）は、青銅器の製造において卓越した技術を持っていたことで知られています。しかし、考古学的発掘において、炉や鋳型、るつぼなどの製造工程を示す物理的証拠が極めて稀であるという課題があります。
そのため、完成された青銅器自体を非破壊的に分析し、当時の鋳造技術、合金の組成、製造プロセス（単一鋳造か、部品ごとの鋳造と組み立てか）を解明することが重要です。従来の手法では内部構造や微細な組織の把握に限界があり、より高度な分析手法が求められていました。

2. 対象と手法 (Methodology)

本研究では、サルデーニャ島北部（ヌゲドゥ・サン・ニコロ）のクックル・ムデジュ遺跡で発見された「軽装の戦士像」を分析対象としました。この像は、角のあるヘルメット、剣、円形の盾、胸の短剣などを備えており、一部（右の角、剣、左腕）が破損して修復（エポキシ樹脂「Araldite」使用）されています。

分析は、2023 年 11 月に英国 ISIS 中性子・ミュオン源（ISIS Neutron and Muon Source）で行われました。以下の 2 つの中性子技術を用いて、非破壊・非侵襲的に内部構造と組成を調査しました。

• 時間飛行型中性子回折 (Tof-ND):
  • 装置: INES ステーション（イタリア中性子実験ステーション）。
  • 目的: 結晶相の同定、合金組成（スズ濃度など）、残留応力、結晶粒の配向性（テクスチャ）の評価。
  • 手法: 像の 8 箇所（手、スカート、脚、盾、首、剣、角、ピン）を測定。リートベルト法を用いて相の重量割合を算出。
• 中性子イメージング (NI) / トモグラフィー:
  • 装置: IMAT ステーション（イメージング・マテリアルサイエンス）。
  • 目的: 内部の欠陥（気孔など）、修復材の分布、鋳造チャネルの特定、3D 形態の可視化。
  • 手法: 回転ステージ上でスキャンを行い、ZnS/LiF シンチレーターと sCMOS カメラを用いて 3D 再構成を実施。空間分解能は約 200μm。

3. 主要な成果と結果 (Key Results)

A. 組成と合金特性 (Neutron Diffraction)

• 合金組成: 銅 - スズ合金（青銅）が主体であり、スズ濃度は測定部位全体で平均 7.5 ± 0.2 wt% と均一でした。鉛（Pb）の含有量は 2 wt% 以下で、意図的な添加か鉱石由来の混入の可能性があります。
• 腐食相: 主要な二次相として、すべての部位で「クプライト（酸化銅）」が確認されました。特に重要なのは、一部の部位（手、左足など）で高濃度の「ナントコイト（塩化銅）」が検出されたことです。ナントコイトは「ブロンズ病」と呼ばれる有害な腐食反応（パラタカマイトの生成）を引き起こす可能性があり、保存状態の監視が必要です。
• テクスチャ（配向性）: 全測定部位で強いテクスチャ（結晶粒の配向性）が観測されました。これは、鋳造後の冷却過程や、最終的な形状調整のための**冷間加工（コールドワーク）**が行われたことを示唆しています。

B. 形態と鋳造プロセス (Neutron Imaging)

• 鋳造構造: 像の内部に大きな欠陥や連続性は見られず、**単一の鋳造プロセス（シングルキャスト）**によって作られた可能性が高いと結論付けられました。
• 気孔と通気: 像の背面に 1 つの小さな気孔（ポア）が確認されました。これは鋳型からのガス排出用の「通気孔（ベンティングシステム）」であったと考えられます。
• 鋳造チャネル: 足元のピン状の部分が注湯口（Pouring channel）であった可能性が示唆されています。
• 修復材の可視化: 角や腕の破損箇所に使用されたエポキシ樹脂（水素を含む）が、中性子画像上で高減衰領域（明るい斑点）として明確に可視化されました。

4. 考察と比較 (Discussion)

本研究の結果は、ヌラゲ様青銅像が「ロストワックス法（蝋型鋳造）」で作られたという仮説を裏付けました。

• 冷却プロセス: 樹枝状組織（デンドライト）の存在と限定的な気孔は、予熱された型内での緩やかな冷却プロセスが行われていたことを示しています。
• 他研究との比較: 最近発表された別の青銅像（Cantini et al.）の研究と比較すると、本研究の像は気孔が少なく、スズ含有量も低い（7.5% vs 10.3%）という違いが見られました。これは、鋳造時の通気制御や合金設計において、工房ごとの技術的アプローチに微妙な差異があったことを示唆しています。

5. 意義と結論 (Significance and Conclusions)

• 技術的評価: 当時のサルデーニャの職人は、限られた技術的条件下で、複雑な形状の像を単一鋳造で製造し、冷却プロセスや合金組成を高度に制御していたことが明らかになりました。
• 保存科学への貢献: 中性子回折により、肉眼では見えない「ナントコイト」の存在を特定し、将来的な腐食リスクを評価することができました。
• 手法の有効性: 中性子回折と中性子イメージングの組み合わせは、考古学的金属遺物の製造プロセス解明と保存状態評価において、極めて有効な非破壊分析手法であることが再確認されました。

本研究は、ヌラゲ文化の金属工芸の卓越性を科学的に裏付けるとともに、将来的な保存処理の指針となる重要な知見を提供しました。