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

Eeuwenlang beheersten oude Chinese ambachtslieden de kunst van het creëren van materialen die op jade leken, maar door menselijke handen waren gemaakt. Onder hun meest opvallende uitvindingen waren dieppaarse, achthoekige prisma's en een type glas dat glinsterde met een basis van lood en barium. Lange tijd beschouwden wetenschappers deze twee creaties als afzonderlijke technologieën. De een werd gezien als een pigment of een vaste kristal, terwijl de ander werd gezien als een gesmolten, glasachtige substantie. Ze deelden vergelijkbare ingrediënten—lood, barium, silicium en koper—maar omdat de uiteindelijke objecten er zo verschillend uitzagen en zich zo anders gedroegen, namen onderzoekers aan dat ze via geheel andere wegen waren gemaakt. De vraag die bleef hangen, is of deze twee materialen eigenlijk verre neven zijn of dat ze in feite broers en zussen zijn, geboren uit hetzelfde vuur, simpelweg op verschillende manieren afgekoeld.

Een nieuwe studie van een enkel paars prisma gevonden in een graf in Xianyang, China, heeft deze vraag eindelijk beantwoord door in het object zelf te kijken. De onderzoekers namen een doorsnede van een prisma daterend uit de Periode van de Strijdende Staten tot de Qin- en Han-dynastieën, ongeveer 2.000 jaar geleden, en onderzochten het van het exacte centrum tot de buitenrand. Ze keken niet alleen naar het oppervlak; ze brachten de chemische samenstelling en de microscopische structuur van elke laag in kaart. Wat zij ontdekten, was dat het paarse kristal en het glasachtige materiaal geen afzonderlijke zaken zijn die met elkaar zijn vermengd. In plaats daarvan vormden ze gelijktijdig binnen hetzelfde stuk heet materiaal. De studie toont aan dat de oude makers werkten met één enkel, complex mengsel dat op sommige plaatsen in glas kon veranderen en op andere plaatsen in vaste paarse kristallen, afhankelijk van hoe de hitte bewoog en hoe de ingrediënten zich afzetten.

Het object dat zij bestudeerden, een massief paars achthoekig prisma ter breedte van ongeveer een vinger, kwam uit een graf waar veel soortgelijke voorwerpen begraven waren. Terwijl andere objecten van dezelfde locatie glas kralen bevatten, was dit prisma uniek omdat het een solide, niet-geperforeerde vorm had. De onderzoekers merkten op dat het prisma niet uniform was. Het centrum was donker en dicht, terwijl de randen lichter en meer gefragmenteerd waren. Om te begrijpen waarom, gebruikten zij krachtige microscopen en chemische scanners om de reis van de elementen te traceren terwijl het object afkoelde. Ze ontdekten dat de paarse kleur afkomstig is van een specifiek kristal genaamd bariumkopersilicaat, maar dit kristal bestaat niet alleen. Het is ingebed in een matrix van lood-bariumglas, en de twee zijn nauw met elkaar verbonden.

Terwijl de onderzoekers van het centrum van het prisma naar de rand bewogen, zagen ze een duidelijke verschuiving in de structuur van het materiaal. In het donkere centrum was het glasachtige deel sterk en continu, waarbij het de kristallen bij elkaar hield. Naarmate ze naar buiten bewogen, begon het glas af te breken en werden de paarse kristallen meer verspreid en vlekkerig. De rand van het prisma was het meest beschadigd, vol met kleine scheurtjes en poriën, en vertoonde tekenen dat het glas door de eeuwen heen begon op te lossen en te veranderen terwijl het in de aarde begraven lag. Dit gradiënt bewees dat het gehele object in één continu proces was gevormd. De ingrediënten begonnen niet als een hoop glas en een hoop kristallen; ze begonnen als een heet, gesmolten mengsel dat op verschillende plaatsen op verschillende manieren reageerde.

De sleutel tot het begrijpen hiervan ligt in hoe de oude materialen zich gedroegen wanneer ze werden verhit. De studie suggereert dat wanneer het mengsel van lood, barium, silicium en koper werd verhit, het niet smolt tot één enkele, uniforme vloeistof. In plaats daarvan vormde het een complex systeem waarbij sommige delen vloeibaar werden en andere vast bleven of in kristallen veranderden. In het centrum van het prisma bevorderden de omstandigheden de vorming van een glasachtig netwerk dat de kristallen insloot. In andere gebieden groeiden de kristallen groter en meer uitgesproken. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid koper en lood licht varieerde van het centrum naar de rand, maar de meest dramatische verandering was in de chemische staat van deze metalen. Het koper, dat het object zijn paarse kleur geeft, veranderde zijn interne structuur naarmate het zich naar het oppervlak bewoog, waardoor het minder effectief werd in het vasthouden van de kleur. Op dezelfde manier veranderde het lood van chemische vorm, waarschijnlijk door te reageren met de lucht en het vocht in de bodem gedurende duizenden jaren.

Deze ontdekking verandert de manier waarop we naar de technologie van die tijd kijken. Het laat zien dat de oude pottenbakkers en glasmakers niet alleen glas maakten of alleen pigmenten; ze beheersten een hoogtemperatuur-reactiesysteem dat beide tegelijkertijd kon produceren. Het verschil tussen een paars prisma en een stuk glas was niet een verschil in het recept, maar een verschil in hoe de hitte werd toegepast en hoe het materiaal afkoelde. Als het mengsel snel afkoelde of een bepaalde balans van ingrediënten had, kon het grotendeels glas blijven. Als het langzaam afkoelde of een andere balans had, zou het kristalliseren tot de paarse vaste stof. Het feit dat beide in één enkel object kunnen worden gevonden, bewijst dat ze twee zijden van dezelfde munt zijn.

De studie onthult ook wat er met het object gebeurde nadat het begraven was. De buitenrand van het prisma vertelt een verhaal van langzame afbraak. Het glasachtige netwerk begon af te breken, waardoor elementen konden bewegen. Het lood, dat oorspronkelijk deel uitmaakte van de glasstructuur, migreerde naar het oppervlak en vormde nieuwe, secundaire mineralen. Ook de koper veranderde van chemische staat, waardoor het een deel van zijn vermogen om de dieppaarse tint te creëren verloor, wat verklaart waarom de randen van het prisma lichter zijn dan het centrum. Dit verweringproces is niet slechts een oppervlakkige vlek; het is een diepe chemische transformatie die de aard van het materiaal van buiten naar binnen heeft veranderd.

Door naar de volledige dwarsdoorsnede van dit enkele artefact te kijken, hebben de onderzoekers twee voorheen gescheiden vakgebieden met elkaar verbonden. Ze hebben aangetoond dat lood-bariumglas en bariumkopersilicaten deel uitmaken van een gedeelde familie van materialen. De oude Chinezen hadden niet twee verschillende technologieën nodig om deze objecten te maken; ze hadden één enkele, geavanceerde kennis nodig van hoe hitte en chemie interageren. Het paarse prisma is niet alleen een prachtig object; het is een bevroren verslag van een hoogtemperatuurreactie, die het moment vastlegt waarop vloeistof tegelijkertijd in glas en kristal veranderde. Dit inzicht helpt ons de vaardigheid van de oude ambachtslieden te begrijpen, die deze complexe reacties konden beheersen om materialen te creëren die twee millennia hebben overleefd, zelfs terwijl ze langzaam veranderen in de duisternis van het graf.