Atomic force microscopy and photo-induced force microscopy analysis of two-dimensional materials based films for heritage protection

Die interdisziplinäre Verbindung von Kunst, Kultur, Physik und Chemie eröffnet vollkommen neue Perspektiven zum Erhalt des kulturellen Erbes, welches durch einzigartige historische und materielle Eigenschaften geprägt ist. Hierzu zählen insbesondere auch Wandmalereien, die in zwei unterschiedlichen Techniken ausgeführt werden können: Es wird zwischen dem Auftrag der Farbe auf frischem Putz (a fresco) und auf trockenem Putz (a secco) unterschieden. Nach jahrhundertelangem Ausgesetztsein gegenüber Umwelteinflüssen kommt es zur Zersetzung der unteren Schichten sowie zum Abbau der Farbschichten. Die Anwendung reversibler Schutzschichten aus innovativen Materialien bietet einen vielsprechenden Ansatz zum Schutz und zur langfristigen Erhaltung dieser Werke. Hier kommen die neuartigen zweidimensionalen Materialien ins Spiel.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung zwei-dimensionaler Schutzschichten, gewonnen durch flüssigphasenexfoliiertes hexagonales Bornitrid (hBN) und Pyrophyllit, als Beschichtungsmaterialien von Fresko- und Secco-Malereien in Serbien untersucht. Zur topografischen Analyse unbeschichteter und beschichteter Seccorepliken wurde die Rasterkraftmikroskopie (AFM) angewandt. Ergänzend dazu kam die neuartige Photo-induced Force Microscopy (PiFM) Methode zur chemischen Charakterisierung der Replikaoberflächen und der aufgebrachten Schichten auf der Nanometerskala zum Einsatz. Die Kombination dieser Methoden ermöglicht eine qualitative Bewertung der Proben und erlaubt die Identifikation bestehender Herausforderungen und Limitierungen der Messmethoden. Mit Hilfe der PiFM-Mikroskopie wurden sowohl Secco- als auch Fresko-Proben analysiert, die mit ultradünnen hBN- oder Pyrophyllit-Lagen beschichtet waren. Die Ergebnisse weisen auf eine vollständige Oberflächenbedeckung hin, die eine grundlegende Voraussetzung für Schutzschichten darstellt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Flockengröße eine entscheidende Rolle bei der Bedeckung rauer Probenoberflächen spielt. Besonders hBN mit Flockengrößen von bis zu 1 μm2 eignet sich aufgrund der kleinen Größe gut zur Beschichtung rauer Oberflächen. Die gebildete Schicht kann sich besser der Oberfläche anpassen und trägt zudem zur Glättung der Oberfläche bei, da die hBN Flocken auch in kleine Vertiefungen eindringen können. Die Reversibilität der Schutzschichten wurde getestet, indem die hBN-Schicht von einer Fresko- und einer Secco-Probe wieder entfernt wurde. Die PiFM-Analyse im hyPIR-Modus dient nach dem Entfernen zur Überprüfung der Entfernung der hBN-Schicht und zur Bewertung möglicher Veränderungen des Probenzustands.
Zusammenfassend ermöglicht die Charakterisierung der Fresko- und Secco-Oberflächen eine kontinuierliche Überwachung des Degradationsprozesses und bildet die Grundlage für zukünftige Untersuchungen. Zusätzlich ermöglichten die gewonnenen Daten eine Analyse der Beschichtungsqualität. Weitere Untersuchungen erwiesen sich als äußerst vielversprechend und deuten auf das Potenzial von zwei-dimensionalem hBN und Pyrophyllit als Schutzschichten für historische Wandmalereien hin.