文化中国行 科技赋能典型案例丨科学家与古代能工巧匠跨时空“对话”——太赫兹波首次用于青铜文物层析成像分析
刘侠 科技日报记者 滕继濮
机械臂灵活翻转，一束束无形的太赫兹波悄然掠过三星堆青铜器斑驳的表面，将锈层下的秘密一一揭示……近日，在电子科技大学太赫兹科学技术四川省重点实验室（以下简称“实验室”），上演了一场现代科学家与古代能工巧匠跨越时空的“对话”，随着一幅幅包含丰富分子结构信息的“太赫兹指纹谱”出现在电脑屏幕，这件青铜文物表面不同层位的锈蚀产物、表面附着物等物质信息被科学家们获取。
既要准确获取文物的制作年代、元素构成等不同信息，又要尽最大努力避免对文物造成损伤，一直是现代科学与文物保护研究的“矛”与“盾”。随着X射线、红外线等现代常规无损检测技术的突破，人们在“看透”文物的同时，如何原位、无损、整体地获取它的颜料、涂层等表层信息，正成为科研人员探索的新方向。
实验室负责人胡旻率领的科研团队正与浙江大学、四川省文物考古研究院、三星堆博物馆等机构合作，利用自主研发的国际首套基于真空电子器件的太赫兹近场成像系统，对来自三星堆青铜器文物进行层析成像分析，这也是全球首次通过太赫兹波对青铜文物进行层析成像分析。
“太赫兹波，简称太赫兹，是指频率在0.1太赫兹到10太赫兹范围的电磁波，其波长大概在0.03毫米至3毫米之间。”胡旻说。与X射线等具有电离特性的技术相比，太赫兹的光子能量极低，不会引起有害的电离反应，这使得研究人员在不损害文物的前提下，也能深入了解其内部结构和材料成分，并且对研究人员也不造成伤害，“它可以穿透绝大多数非金属物质，通过时域脉冲在物体内部的多层次反射，得到物质的分层结构信息，从而无需对文物进行切片。”
实验室博士后张晓秋艳介绍，以三星堆青铜器文物的锈层识别为例，研究人员首先通过结构光技术快速构建文物的三维轮廓，绘制“数字地图”。随后，基于该地图，研究人员通过智能算法规划太赫兹波扫描路径，确保其能够垂直入射实现对锈层厚度的精确识别。
“在锈层识别中，机械臂会控制检测探头将发射出的太赫兹波穿透锈层，收集其内部结构和材料特性的‘秘密’。最后将探测数据与青铜器的三维轮廓结合，生成锈层三维成像图，直观地展示了锈层的分布、形态及厚度变化。”张晓秋艳说，结合“太赫兹指纹谱”，文物保护人员能够清晰地区分出有害锈与无害锈及其分布情况，让文物修复工作更加精准和高效。
太赫兹波扫描是利用飞秒脉冲进行飞行时间成像，其最快可在文物出土之后的10分钟内得到文物表面层位信息的初步结果。同时，它也能实现高分辨率成像，其厚度识别精度达到10微米、水平精度达到50纳米。“我们实验室将利用其在太赫兹技术方面的优势，为三星堆遗址的文物提供无损检测、病害诊断等科技支持。目前已和三星堆博物馆达成共识，将围绕三星堆遗址的考古研究、文物保护及文化传承等方面展开深度合作。”张晓秋艳说。
“未来，该实验室还将引入人工智能和机器学习技术，通过与太赫兹技术结合提升数据处理和分析的效率和准确性，让检测结果更加详细、可靠。”胡旻表示，同时，他们将加强与考古学、材料科学等领域的跨学科合作，推动太赫兹技术在文物保护中的创新应用。
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