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聽(tīng)說(shuō)Tony Robinson和他的時(shí)間管理團(tuán)隊(duì)為其考古裝備增添了新的武器，它可能如同碳14斷代儀器一樣*......

    Here we learn that Tony Robinson and his time team could have a new weapon in their archaeological arsenal, and it could be as useful as carbon dating…

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和愛(ài)丁堡大學(xué)的研究者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一項(xiàng)新技術(shù)，用于對(duì)上千年的古代陶瓷和磚瓦進(jìn)行年代確定。

    這項(xiàng)基于美國(guó)康塔儀器公司水吸附分析儀開(kāi)發(fā)的技術(shù)已經(jīng)成為與碳14斷代方法的并行方法，這種水吸附分析儀可以通過(guò)控制溫度和濕度的條件，能將樣品質(zhì)量測(cè)量至0.1微克。

    這種技術(shù)不僅使對(duì)考古學(xué)斷代和高度仿真的贗品測(cè)年成為可能，也可以通過(guò)研究已知年代的標(biāo)本，為調(diào)查氣候變化提供幫助。這項(xiàng)研究報(bào)告- 'Dating fired-clay ceramics using long-term power law rehydration kinetics' - 已經(jīng)發(fā)表在英國(guó)*協(xié)會(huì)會(huì)刊（Proceedings of the Royal Society A）

    這項(xiàng)斷代技術(shù)的關(guān)鍵是基于以下事實(shí)：燒制粘土類終生都自始至終地從大氣環(huán)境中吸附水汽，其吸附速率與周邊平均溫度和粘土性質(zhì)有關(guān)。已經(jīng)確認(rèn)，少量樣品（通常3-5g）被加熱到105°C后，其毛細(xì)管中的水即被去除，從而得到“初始接收”質(zhì)量，然后加熱到500°C四小時(shí)，即可除去樣品一生累積吸附的所有水分。這個(gè)“初始接收”質(zhì)量和zui終質(zhì)量的差值代表了樣品終生吸附的水汽。

其次，在樣品冷卻后，對(duì)樣品質(zhì)量在所控溫度和相對(duì)濕度條件下進(jìn)行吸濕性監(jiān)測(cè)，能夠獲得樣品重新結(jié)合水后的動(dòng)力學(xué)增長(zhǎng)曲線。相對(duì)濕度通常保持在30.0±0.1% RH，而溫度設(shè)定為在樣品發(fā)現(xiàn)地的長(zhǎng)期平均溫度（經(jīng)驗(yàn)值）。

    這項(xiàng)斷代技術(shù)的關(guān)鍵是基于以下事實(shí)：燒制粘土類終生都自始至終地從大氣環(huán)境中吸附水汽，其吸附速率與周邊平均溫度和粘土性質(zhì)有關(guān)。已經(jīng)確認(rèn)，少量樣品（通常3-5g）被加熱到105°C后，其毛細(xì)管中的水即被去除，從而得到“初始接收”質(zhì)量，然后加熱到500°C四小時(shí)，即可除去樣品一生累積吸附的所有水分。這個(gè)“初始接收”質(zhì)量和zui終質(zhì)量的差值代表了樣品終生吸附的水汽。

Aquedyne DVS 非常適合這個(gè)應(yīng)用有多種原因。 顯然，長(zhǎng)期穩(wěn)定地測(cè)量質(zhì)量到0.1ug的能力是至關(guān)重要的，但嚴(yán)格控制樣品室的溫度和相對(duì)濕度也是重要因素。此外，美國(guó)康塔儀器公司的完整的微天平具有雙稱量盤，這意味著可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)樣品的平行分析，并提高了生產(chǎn)率。曼徹斯特大學(xué)機(jī)械、航天和土木工程學(xué)院的莫伊拉·威爾遜博士（Dr Moira Wilson）認(rèn)為：比起其它技術(shù)，Aquadyne DVS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要好得多。"起初我們想用傳統(tǒng)的頂裝盤，但結(jié)果表現(xiàn)出太多散點(diǎn)。當(dāng)我們?cè)囉?span lang="EN-US">Aquadyne DVS的微天平頭，所產(chǎn)生的清晰的圖形曲線給我們留下深刻印象。”

雖然Aquadyne DVS不是市場(chǎng)上*的水吸附分析儀，威爾遜博士還是沒(méi)有任何猶豫地選擇了它：“我的一位同事以前曾經(jīng)使用過(guò)康塔儀器微天平系統(tǒng)，并認(rèn)為它是非常的。并且，他在英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的同事也對(duì)這種微量天平給出*。實(shí)驗(yàn)表明，Aquadyne DVS可以滿足我們的所有要求，并且具有明顯優(yōu)勢(shì)。”

    此外，當(dāng)威爾遜博士和她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新的斷代技術(shù)時(shí)，他們得到制造商的持續(xù)服務(wù)和支持，為此受到廣泛贊賞。人們很早就知道，陶瓷吸收水分，但測(cè)量非常小的應(yīng)變（擴(kuò)展）結(jié)果是極其困難的。改成基于質(zhì)量的測(cè)量方法不僅創(chuàng)造了為古代陶瓷斷代的機(jī)會(huì)，它也使現(xiàn)代陶瓷中與吸濕性有關(guān)的問(wèn)題-- 如釉料開(kāi)裂--更容易地調(diào)查原因。

新的測(cè)年技術(shù)之所以出色，原因之一是它僅需的裝置是一個(gè)小型高溫爐爐和水吸附分析儀，用于測(cè)量“初始接收”質(zhì)量和再羥基化之前的zui終質(zhì)量。這使得該技術(shù)更簡(jiǎn)單，更快，比現(xiàn)有的陶瓷斷代技術(shù)花費(fèi)低，如熱釋光方法。

    威爾遜博士繼成功開(kāi)發(fā)燒制粘土的測(cè)年技術(shù)后，現(xiàn)在準(zhǔn)備進(jìn)一步用Aquadyne DVS開(kāi)展工作，如測(cè)量膠結(jié)材料的水化率和碳化率，調(diào)查粒徑對(duì)粉末陶瓷吸附動(dòng)力學(xué)的影響。

技術(shù)介紹

    再羥基化（RHX）的測(cè)年方法*是在研究燒制粘土磚水分膨脹的可逆性時(shí)獲得的意外收獲。RHX的過(guò)程是由粘土燒制陶瓷對(duì)大氣水分的化學(xué)吸附，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)超慢的納米級(jí)固態(tài)運(yùn)輸（一維擴(kuò)散，SFD）進(jìn)入粘土體內(nèi)的。這項(xiàng)工作導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的動(dòng)力學(xué)定律：水分膨脹的超慢反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（以及質(zhì)量增加）服從（時(shí)間）¼冪律[1]。簡(jiǎn)單地說(shuō)，對(duì)t¼的時(shí)間依賴性意味著相等的質(zhì)量將以1，16，81，256等增加（對(duì)應(yīng)1⁴,2⁴,3⁴,4⁴等）。這些時(shí)間單位可以是秒，分，天或年。

    因?yàn)樵倭u基化的過(guò)程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，其進(jìn)程主要取決于溫度。已證明[2]，可根據(jù)出土樣品的地點(diǎn)對(duì)“有效壽命溫度”（ELT）進(jìn)行估計(jì)，它是從執(zhí)行分析到所能看到的近乎樣品的終生的可靠溫度。

    在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究已經(jīng)使用的微重量測(cè)量，使用Aquadyne DVS重量法水吸附分析儀（康塔儀器）進(jìn)行RHX測(cè)年[3]。它的有效壽命溫度（ELT）主要取決于獲取樣品的地點(diǎn)，在樣品的有效生命周期內(nèi)，提供一個(gè)適合的溫度環(huán)境使其能順利的分析樣品。

根據(jù)曼徹斯特大學(xué)的研究分析，運(yùn)用全自動(dòng)雙站水吸附分析儀可以做微重量RHX數(shù)據(jù)分析。

    在原理，RHX測(cè)年法的核心就是簡(jiǎn)單明了；然而，想要成功測(cè)出一片燒制陶器的年代還是有些困難的，所以我們嘗試用RHX測(cè)量超慢速度質(zhì)量的增加，一般地，每3天增加6mg. 在持續(xù)恒溫和相對(duì)濕度的條件下測(cè)量樣品（大約0.1ug）；全自動(dòng)動(dòng)態(tài)水吸附分析儀可以做到這點(diǎn)，請(qǐng)看圖1.

實(shí)驗(yàn)方法

    Wilson已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明了RHX測(cè)年法的過(guò)程。首先，m₁樣品需要在105攝氏度下脫氣，直到達(dá)到一個(gè)恒定的質(zhì)量。在這點(diǎn)上所有的物理吸附水分用T₀表示，化學(xué)吸附脫氣可能會(huì)超出樣品能承受的脫氣溫度。然后把樣品放在天平室，溫度控制在ELT，（一般8到11攝氏度），相對(duì)濕度需要仔細(xì)的控制在可以提供水分子表面的層面。在這些條件下，樣品可以保持平衡。當(dāng)樣品達(dá)到平衡點(diǎn)，會(huì)測(cè)量出原始樣品質(zhì)量m₂. 在這些溫度和濕度的條件下，通過(guò)RHX測(cè)年法測(cè)出陶土的原始質(zhì)量以及水吸附值。

    接著,將樣品加熱至500攝氏度直到脫盡樣品中的所有水分，包括物理吸附和化學(xué)吸附（T₀，T₁，T₂）的水。監(jiān)測(cè)m₁的質(zhì)量損失，直到達(dá)到恒定質(zhì)量m₃. 然后把樣品放置在與之前相同的溫度和濕度條件下，得到數(shù)據(jù)m₂。獲得原始質(zhì)量數(shù)據(jù)后，重新加熱到500攝氏度，Savage等【5】描述了特征性的質(zhì)量增加時(shí)的兩個(gè)階段過(guò)程。

樣品的再羥基化所引起的歸一化質(zhì)量改變（y_a）與樣品壽命時(shí)間的1/4冪次方成正比：

Y_α=α（T）t^1/4

    比例常數(shù)α（T）是在溫度T所獲得的數(shù)據(jù)，以質(zhì)量的線性部分相對(duì)t¼作圖時(shí)的斜率，如圖2所示。

Y_α=（m₂-m₄）/m₄

樣品的年代（t_α）計(jì)算可用公式：

t_α=（y_α/α）⁴

這些關(guān)系示于圖3。這里可以清楚地看到的三種不同類型的水的質(zhì)量貢獻(xiàn)。

（a）   特征性的二個(gè)階段的質(zhì)量增加。這是所有3種類型的水分T0+T1+T2（~27,000數(shù)據(jù)點(diǎn)） 結(jié)合。這些成分的結(jié)合所貢獻(xiàn)的總質(zhì)量值也可以被分割成（b）和（c），如圖所示。

（b）   只有T0+T1會(huì)影響質(zhì)量值，并且當(dāng)樣品與周圍的環(huán)境達(dá)成平衡時(shí)，質(zhì)量值就會(huì)停止變化。這個(gè)質(zhì)量值的變化可以用于跟蹤環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的改變。

（c）   因T2再羥基化而產(chǎn)生的質(zhì)量增加。

結(jié)論

    Aquadyne DVS全自動(dòng)雙站水吸附分析儀可以的控制相對(duì)濕度和溫度，并且超級(jí)靈敏的微天平可以使其測(cè)出上百年甚至是幾千年前的陶瓷、陶器和粘土文物的年代。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wilson, M.A., Hoff, W.D., Hall, C., McKay, B., and Hiley, A. 2003 “Kinetics of Moisture Expansion in Fired Clay Ceramics: a （time）¼ Law.” Phys. Rev. Lett. 90, 125503.

[2] Hall, C., Hamilton, A., and Wilson M.A. 2013 “The Influence of Temperature on Rehydroxylation [RHX] Kinetics in Archaeological Pottery.” J. Archaeological Sci., 40（1）, 305–312.

[3] Wilson, M.A., Carter, M.A., Hall, C., Hoff, W.D., Incd, C., Savage, S.D., McKay, B., and Betts, I.M. 2009. “Dating Fired Clay Ceramics Unsing Long-term Power Law Rehydroxylation Kinetics.” Proceedings of the Royal Society A, 465, 2407-2415.

[4] Wilson, M.A., Hamilton, A., Ince, C., Carter, M.A., and Hall, C. 2012. “Rehydroxylation （RHX） Dating of Archaeological Pottery.” Proceedings of the Royal Society A, 468, 3476-3493.

[5] Savage, S.D., Wilson, M.A., Carter, M.A., Hoff, W.D., Hall, C., and McKay, B. 2008 “Moisture Expansion and Mass Gain in Fired Clay Ceramics: a Two-Stage （time）¼ process.” J. Thermal Anal. 37, 1579-1592.

[6] Wilson, M.A., Clelland, S., Carter, M.A., Ince, C., Hall, C., Hamilton, A. and Batt, C.M., 2013. “Rehydroxylation of fired-clay ceramics: factors affecting early-stage mass gain in dating experiments.” Archaeometry

術(shù)語(yǔ)解釋：Single-file diffusion （SFD）

Single-file diffusion （SFD） refers to the one-dimensional motion of particles in pores which are that narrow that mutual passage of particles is excluded. Since the sequence of particles remains the same, this leads to strong deviations from normal diffusion, e.g. an increase of the particle mean-square-displacement as t1/2. Besides theoretical interest, SFD is also relevant for efficient separation mechanisms of polydisperse particle mixtures or DNAfragments. Although during recent years SFD has been discussed in numerous theoretical publications, experimental evidence for the occurrence of this mechanism as provided by molecular diffusion studies in nanoporous mordenite crystallites remains still contradictory. In our experiments we use colloidal particles as a promising alternative experimental approach for systematic studies of SFD. Channels can be created by topographical structures or by strong light fields which serve as traps for the particles and allow to study the experimentall conditions under which SFD can be observed.

人物介紹

從維基百科，自由的百科全書

安東尼爵士——“托尼”羅賓遜（生于1946年8月15日）是英國(guó)演員，喜劇演員，業(yè)余歷史學(xué)家，電視節(jié)目主持人和政治活動(dòng)家。他在的在英國(guó)廣播公司（BBC）的電視連續(xù)劇黑爵士中扮演Baldrick，并主辦第4頻道節(jié)目，如時(shí)間管理團(tuán)隊(duì)和歷*的臟活累活。羅賓遜是工黨的成員，并曾在全國(guó)執(zhí)行委員會(huì)。他還寫了16個(gè)孩子的書籍。

1994年，羅賓遜開(kāi)始呈現(xiàn)時(shí)間管理團(tuán)隊(duì)，一個(gè)三天的專門考古調(diào)查電視節(jié)目（結(jié)果是從來(lái)沒(méi)有保證，從壯觀的到令人失望的各不相同）。在2005年，英國(guó)埃克塞特大學(xué)授予羅賓遜和主創(chuàng)人米克·阿斯頓和制片人蒂姆·泰勒名譽(yù)博士學(xué)位，名譽(yù)教授，以表彰其在時(shí)間管理團(tuán)隊(duì)節(jié)目中讓英國(guó)公眾理解考古學(xué)知識(shí)做的極大貢獻(xiàn)。 2011年在希特勒插曲島要塞，羅賓遜形容自己是一名業(yè)余考古學(xué)家。

所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：

                                                                騎士學(xué)士勛章

·         1999年：英國(guó)布里斯托爾大學(xué)戲劇和考古學(xué)榮譽(yù)藝術(shù)碩士。

·         2006年：英國(guó)牛津布魯克斯大學(xué)的名譽(yù)博士學(xué)位。^[ 24 ]

·         2008年：文學(xué)和歷史協(xié)會(huì)UCD詹姆斯·喬伊斯獎(jiǎng)。

·         2011     切斯特大學(xué)榮譽(yù)博士學(xué)位。^[ 25 ]