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Cologne Institute of
Conservation Sciences

Institut für Restaurierungs- und Konservierungswissenschaft
Ubierring 40
D-50678 Köln

Schriftgut, Grafik und Buchmalerei

Prof. Dr. Robert Fuchs

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Gemälde

Prof. Hans Dietmar Portsteffen

  • Telefon+49 221-8275-3250

Gemälde / Moderne Kunst

Prof. Dr. Gunnar Heydenreich

  • Telefon+49 221-8275-3837

Skulpturen

Prof. Dr. Regina Urbanek

  • Telefon+49 221-8275-3225

Objekte aus Holz und Werkstoffen der Moderne

Prof. Dr. Friederike Waentig

  • Telefon+49 221-8275-3221

Textilien und Archäologische Fasern

Prof. Dr. Annemarie Stauffer

  • Telefon+49 221-8275-3205

Wandmalerei

Prof. Adrian Heritage

  • Telefon+49 221-8275-3517

Kulturgut aus Stein

Prof. Dr. Peter Kozub

  • Telefon+49 221-8275-3624

Kunsttechnologische Untersuchungen

Eine Restauratorin untersucht ein Gemälde mit dem Lichtmikroskop (Bild: CICS / TH Köln)

Am Cologne Institute of Conservation Sciences (CICS) werden Kunst- und Kulturgut untersucht und künstlerische Techniken, Werkstoffe und Farbmittel systematisch erforscht.

Gegenstand der Untersuchungen sind die materielle Zusammensetzung und der Entstehungsprozess von Kunst- und Kulturgut. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und Analysen können ein tieferes Verständnis dieser Werke ermöglichen und Forscher dabei unterstützen, u.a. Fragen zu Datierung, Zuschreibung, ursprünglichen Zusammenhängen und Zustandsveränderungen zu beantworten.
Am CICS werden die Kunstwerke vorrangig zerstörungsfrei, d.h. ohne jede Probenentnahme analysiert. Dabei kommen verschiedene moderne strahlendiagnostische Untersuchungstechniken zum Einsatz, die im Einzelfall durch Materialanalysen auf der Grundlage von Materialproben ergänzt werden. Die Auswahl der Untersuchungsmethoden erfolgt in Abhängigkeit von der Objektbeschaffenheit und den Fragestellungen. Für jede Aufgabenstellung wird ein individuelles Untersuchungskonzept erstellt. Das CICS setzt seine Laborkapazitäten primär studienbegleitend in Lehre und Forschung ein. In begrenztem Umfang können auch Aufträge von Museen, Denkmalpflege und Privatkunden angenommen werden. Die Beratungsleistungen und Untersuchungen werden von spezialisierten Mitgliedern des Kollegiums angeboten.


Am CICS eingesetzte Untersuchungsverfahren:


Optische und strahlendiagnostische Untersuchungen (zerstörungsfrei)

Strahlendiagnostische Untersuchungen dienen der Generierung von Erkenntnissen über Kunstwerke, die dem bloßen Auge verborgen bleiben. Neben der vergrößerten Betrachtung der Oberfläche (Mikroskopie) können auch tiefere Bildschichten visualisiert werden (Infrarot-Reflektografie, Röntgenanalyse). Ergänzend werden strahlendiagnostische Verfahren auch zur Materialanalyse eingesetzt (Bandpassfilter-IR-Reflektografie, Röntgenfluoreszenzanalyse, Vis-Spektrometrie u.a.).


Lichtmikroskopie

Detail einer Pastelloberfläche im VideomikroskopDetail einer Pastelloberfläche im Videomikroskop (Bild: CICS / TH Köln)

Die mikroskopische Untersuchung gehört zu den Standardverfahren in der kunsttechnologischen Analyse. Sie kann vertiefende Erkenntnisse zum Aufbau und späteren Veränderungen eines Kunstwerkes liefern. Mikroskopische stratigrafische Untersuchungen dienen der Beurteilung von Farbschichtenfolgen und stehen häufig am Anfang weiterer Analysen. Am CICS werden hierfür traditionelle Stereo- und moderne Videomikroskope eingesetzt, die eine Betrachtung des Objektes mit einer bis zu 1000 fachen Vergrößerung ermöglichen. Mit dem Videomikroskop können auch 3D-Aufnahmen der Oberfläche erzeugt werden.


Bandpassfilter-Reflektografie (UV, Vis, IR)

Bandpassfilter-ReflektographieBandpassfilter-Reflektographie (Bild: CICS / TH Köln)

Die Bandpassfilter-Reflektografie wird insbesondere zur Untersuchung von Gemälden, Buchmalerei und Schriftdokumenten eingesetzt. Neben der Sichtbarmachung tieferliegender Bildschichten kann die Bandpassfilter-IR-Reflektografie zur Eingrenzung verwendeter Materialgruppen sowie zur Sichtbarmachung von verblassten und verkohlten Schriften dienen.

Die Verwendung von Bandpassfiltern erlaubt die differenzierte Untersuchung von Kunstwerken im Wellenlängenbereich von 200 – 1900 nm. Dabei wird das Objekt mit verschiedenen Filtern und drei verschiedenen Kameras aufgenommen. Die Bilder werden akkumulierend gespeichert und gemittelt. So kann das Rauschen bei höheren Wellenlängen weitestgehend unterdrückt werden.


Digitale Infrarot-Reflektografie

Die Infrarot-Reflektografie ermöglicht die Untersuchung tieferliegender Schichten insbesondere in Gemälden und Buchmalerei. Oftmals erlaubt diese Methode eine Visualisierung der Unterzeichnung, wenn diese z.B. mit einem kohlenstoffhaltigen Material (schwarze Tusche, Kohle, Grafit o.ä.) ausgeführt ist. Zudem können weitere Erkenntnisse über den Bildaufbau und Zustandsveränderungen gewonnen werden.

Unter der Malschicht des Christusbildnis von Jacopo de'Barbari (um 1503, Klassik Stiftung Weimar) liegt die Zeichnung eines Johanneskopfes - sichtbar durch die digitale Infrarot-ReflektografieJacopo de‘Barbari, Christusbildnis, um 1503, Klassik Stiftung Weimar. IRR: Unter der Malschicht liegt die Zeichnung eines Johanneskopfes (Bild: CICS / TH Köln)

Die Infrarot-Reflektografie basiert auf der Tatsache, dass Infrarot-Strahlung tiefer als sichtbares Licht in (Mal-)Schichten eindringen kann und von verschiedenen Farbmitteln unterschiedlich absorbiert wird. Mit speziellen Detektoren kann dieses unterschiedliche Absorptionsverhalten für das menschliche Auge sichtbar werden. Die am CICS eingesetzte IR-Kamera detektiert Signale im Wellenlängenbereich von 900-1700 nm.


UV-Fluoreszenzuntersuchung

Stark ausgeprägte Fluoreszenzen unterschiedlicher MaterialienStark ausgeprägte Fluoreszenzen unterschiedlicher Materialien (Bild: CICS / TH Köln)

Unter UV-Strahlung können Oberflächenphänomene auf Kunstwerken sichtbar gemacht werden. Die UV-Fluoreszenz-Untersuchung dient insbesondere der Visualisierung von Firnisschichten, Retuschen und Übermalungen. Gelegentlich kann sie auch zur Eingrenzung verwendeter Materialgruppen dienen.

Die kurzwellige UV-Strahlung kann an der Oberfläche eines Kunstwerkes Materialien (Firnisse, Bindemittel, Pigmente) zu Fluoreszenzen anregen. Unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften der verwendeten Werkstoffe ermöglichen eine differenzierte Wahrnehmung. Die Fluoreszenzunterschiede können unter Einsatz von UV-Filtern fotografisch dokumentiert werden.


Digitale Radiografie

Alberto Giacometti, Femme au chariot, 1945, Wilhelm Lehmbruck Museum Duisburg: Röntgenaufnahme von Kopf und BrustkorbAlberto Giacometti, Femme au chariot, 1945, Wilhelm Lehmbruck Museum Duisburg: Röntgenaufnahme von Kopf und Brustkorb (Bild: CICS / TH Köln)

Als Durchstrahlverfahren erlaubt die Röntgengrobstrukturanalyse Erkenntnisse über den strukturellen Aufbau von Kunst- und Kulturgut zu gewinnen. Mittels Röntgenaufnahmen können insbesondere Informationen zum Werkprozess (z.B. Pentimenti) und zu Zustandsveränderungen (z.B. Fehlstellen, Überarbeitungen) generiert werden. In begrenztem
Umfang kann die Röntgenuntersuchung auch zur Erfassung von Materialgruppen dienen.

Am CICS wird seit mehreren Jahren die digitale Radiografie angewandt. In der Regel finden die Röntgenuntersuchungen in den strahlengeschützten Röntgenräumen des Institutes statt. Ein schienengeführtes, motorisiertes Aufnahmestativ ermöglicht das sequenzierte Belichten und anschließende digitale Montieren der Teilaufnahmen von großen Gemälden. Vermehrt wird die Röntgeneinrichtung auch im ortsveränderlichen Betrieb in Museen und Sammlungen als Dienstleistung oder im Rahmen von Forschungsvorhaben und Studienarbeiten durchgeführt.

Foto (oben): Erstaunlicherweise fanden sich im Bereich des Kopfes als Teil der Armierung ein Handbohrer und im Bereich der Unterschenkel eine Feile eingearbeitet. Dieser, nur durch die radiologische Untersuchung mögliche Fund erlaubt uns einen Einblick in die sonst verborgene Innenstruktur des Werkes und verrät viel über die Werktechnik des Künstlers und seinen spontanen Umgang mit seinem Werkzeug.


Spektroskopische und materialanalytische Verfahren (zerstörungsfrei)

Zahlreiche Materialien lassen sich auf der Grundlage ihrer Wechselwirkungen mit elektromagnetischer Strahlung identifizieren. Angewendet werden sichtbares (Vis=visible) Licht, Strahlung im infraroten und ultravioletten Bereich sowie Röntgenstrahlen. Diese Wechselwirkungen können detektiert und bestimmten Materialien zugeordnet werden. Die Verfahren sind überwiegend zerstörungsfrei, das heißt es ist keine Probenentnahme notwendig.


Röntgendiffraktometrie (XRD)

Röntgendiffraktometrie (XRD): Bei Werken auf Papier ist die zerstörungsfreie Messung möglichRöntgendiffraktometrie (XRD): Bei Werken auf Papier ist die zerstörungsfreie Messung möglich (Bild: CICS / TH Köln)

Die Röntgenbeugung kann eine zerstörungsfreie Analyse von kristallinen Substanzen (z.B. Pigmente) auch in Mischungen ermöglichen. Das am CICS eingesetzte Gerät wurde derart modifiziert, dass eine zerstörungsfreie Messung direkt an einem Objekt möglich ist. Da dabei der Röntgenstrahl durch das Objekt strahlen muss, kommen nur dünne Materialien wie Malereien auf Papier, Pergament oder Textil in Betracht. Nachteil dieser Methode ist, dass die Farbmittel kristallin sein müssen. Dies ist z.B. bei Pflanzenfarbstoffen und amorphen Pigmenten (u.a. einige Kupfergrünpigmente) nicht der Fall. Bei dickeren Materialgefügen (Leinwandgemälde, Holztafeln etc.) ist für diese Methode eine geringe Probenentnahme notwendig.

Bei der Röntgenbeugung (XRD = X-Ray-Diffraction) trifft monochromatische Röntgenstrahlung auf eine kristalline Substanz. Dort wird der Röntgenstrahl an den Netzebenen des Kristalls in bestimmten Winkeln gebeugt. Jede kristalline Verbindung erzeugt somit ein ihr typisches „Beugungsmuster“.


Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)

Das RFA-Gerät bei der zerstörungsfreien Messung am BildDas RFA-Gerät bei der zerstörungsfreien Messung am Bild (Bild: CICS / TH Köln)

Die Röntgenfluoreszenzanalyse ermöglicht die zerstörungsfreie Bestimmung von Elementen in verschiedenen Materialien. Sehr gut geeignet ist diese Methode z.B. für die Identifizierung von Metallen und Legierungen. Anhand der Elementzusammensetzung und der visuellen Merkmale können auch Pigmente in Malschichten identifiziert werden. Die RF-Analyse dient vor allem der Bestimmung von anorganischen Farbmaterialien; organische Pigmente lassen sich mit dieser Methode nicht eindeutig identifizieren. Zudem wird die Interpretation der Analyseergebnisse durch Farbmischungen und mehrschichtige Farbaufträge erschwert. Die RF-Analyse wird deshalb häufig in Kombination mit anderen Analysetechniken angewandt.

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse werden Atome durch energiereiche Röntgenstrahlung
zur Emission einer charakteristische Energie, der Röntgenfluoreszenz, angeregt, aus der auf die Elementzusammensetzung geschlossen werden kann. Das Gerät ist durch seine geringe Größe mobil und vor Ort einsetzbar.


Vis-Farbspektroskopie

Vis-Spektrometer während der Messung einer FarbstoffreferenzVis-Spektrometer während der Messung einer Farbstoffreferenz (Bild: CICS / TH Köln)

Mit transportablen Reflektionsspektrometern können die Spektralkurven aller Farbmaterialien
bestimmt werden. Viele Farbmittel kann man so ohne Probennahme analysieren. Auch Farbmischungen sind erfassbar; Weiß und Schwarz sind jedoch im farbmetrischen Sinne keine Farben, weswegen zu starke Ausmischungen damit das Ergebnis verunklären.

Die Vis-Farbspektrometrie misst die Reflexion des sichtbaren (visible) Lichtes (380-730 nm). Die Oberfläche des Untersuchungsobjektes wird mit sichtbarem Licht (2 Watt) beleuchtet und die remittierte Strahlung gemessen. Mithilfe einer Software werden die Messdaten in einen Graphen umgewandelt und können anschließend interpretiert werden.


Fluoreszenzspektroskopie

Mit dieser zerstörungsfreien Methode kann beispielsweise über die Fluoreszenz das Alter moderner Papiere bestimmt werden. Wird eine fluoreszierende Substanz mit Licht kürzerer Wellenlänge bestrahlt, wird Strahlung längerer Wellenlänge emittiert und spektral dargestellt.


Analyse von Materialproben (minimalinvasiv)

Bei der Untersuchung von Kunstwerken können Fragestellungen aufkommen, welche sich mit zerstörungsfreien Methoden allein nicht klären lassen. Eine Probenentnahme kann notwendig werden, wenn die Analysemethode nicht am Objekt angewendet werden kann oder nur eine bestimmte Schicht untersucht werden soll. Man kann bei der Probenentnahme zwischen einer mehrere Schichten erfassenden Strukturuntersuchung (Stratigrafie) und einer Punktuntersuchung in einem bestimmten Bereich unterscheiden. Die Probenmenge ist abhängig von der jeweiligen Analysemethode. Um den Eingriff am Objekt so gering wie möglich zu halten, kann eine Probe für verschiedene Analysen verwendet werden.


Mikroskopie: Anschliffe, Dünnschliffe, Streuproben, Holzanalyse

Mittels der Mikroskopie können Materialproben bei hoher Vergrößerung genauer charakterisiert werden. Auch lassen sich mit dieser Methode Informationen zu Schichtenfolgen gewinnen. Nach geeigneter Aufbereitung, u.a. in Anschliffen oder Dünnschliffen werden die Materialproben unter Verwendung verschiedener Beleuchtungstechniken (farbiges, UV- oder polarisiertes Licht) untersucht und gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Verfahren (z.B. materialspezifische Anfärbetechniken) genauer charakterisiert.

Pietà, um 1350, Köln Frechen-Buschbell: Die Querschliffe von Materialproben aus der Innenseite des Marienmantels und dem Inkarnat Jesu belegen zahlreiche Überarbeitungen der originalen Fassung.Die Querschliffe von Materialproben aus der Innenseite eines Marienmantels und dem Inkarnat Jesu belegen Überarbeitungen der Originalfassung. (Bild: TH Köln - CICS)

Proben von Pigmenten, Fasern und Holz lassen eine genaue Bestimmung des Materials zu. Der Aufbau einer komplexen Malschicht ist in Anschliffen darstellbar. Unter dem Mikroskop sind dann die Schichtenfolge sowie die Verteilung und die Größe der Pigmente zu erkennen.


Faseranalyse

Bei der Untersuchung von Muschelseide-Fasern mit dem REM wird die charakteristische glatte, strukturlose Oberfläche mit feinen Längsrillen und krümeligen Auflagerungen sichtbarMuschelseide-Fasern: Mit dem REM wird die glatte, strukturlose Oberfläche mit feinen Längsrillen und krümeligen Auflagerungen sichtbar (Bild: CICS / TH Köln)

Zur Faserbestimmung und Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von Fasern, Garnen und Flächengebilden werden verschiedene mikroskopische Techniken eingesetzt, die sich
Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung und dem strukturellen Aufbau der Fasern zu Nutze machen. Darüber hinaus lassen sich so auch Faserauflagerungen und Strukturverletzungen untersuchen und chemische und mikrobielle Schäden nachweisen.


Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)

Das Rasterelektronenmikroskop in der AnwendungDas Rasterelektronenmikroskop in der Anwendung (Bild: CICS / TH Köln)

Mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) sind Vergrösserungen bis 10 000-fach möglich. Selbst kleinste Strukturen von Materialproben können so erfasst werden. Mittels der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) können Elementanalysen erfolgen. In Querschliffen von Malschichten können mittels EDX einzelne anorganische Pigmente und Metalle bestimmt werden. Das Rasterelektronenmikroskop am CICS hat im Laufe der Jahre schon viel gesehen: Von winzigen Pigmentproben aus den Gemälden bekannter Künstler, über mikrobiell befallene Gesteinsproben aus alten römischen Denkmälern bis hin zu Fasern aus ägyptischen Grabbeigaben.

Innere Struktur von Espartogras (Lygeum) und kristalline Ablagerungen in Halfagras (Stipatenacissima ) im REMInnere Struktur von Espartogras (Lygeum) und kristalline Ablagerungen in Halfagras (Stipatenacissima ) im REM (Bild: CICS / TH Köln)

Im Rasterelektronenmikroskop wird die Oberfläche mittels eines sehr fein gebündelten
Elektronenstrahls abgetastet. Da nur leitende Oberflächen dargestellt werden können,
müssen die Proben aus organischen Materialien durch Aufdampfen eines Metallfilmes
(z. B. Gold) leitend gemacht werden. Für die Bestimmung der Elemente werden
Atome durch Elektronenbeschuss zur Emission einer charakteristische Röntgenstrahlung
angeregt, nach der auf die Elementzusammensetzung geschlossen werden kann.
Im Frühjahr 2014 hat das CICS zwei neue Rasterelektronenmikroskope (ZEISS SIGMA VP und
ZEISS EVO LS10) bekommen. Die Feldemissionskathode beim SIGMA VP liefert dabei besonders hochwertige Aufnahmen. Die spezielle Ausrüstung des EVO LS10 mit einem Peltier-Element erlaubt Untersuchungen von Materialien unter variablen klimatischen Bedingungen: So können z.B. Salzkristalle bei ihrer Bildung beobachtet oder die Dimensionsänderungen von Holz unter extremen Klimaschwankungen bei starker Vergrößerung studiert werden, was die Forschungsinhalte am CICS um wichtige Gebiete erweitert.


Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR)

FTIR-Spektrometer mit MikroskopFTIR-Spektrometer mit Mikroskop (Bild: CICS / TH Köln)

Die Methode ermöglicht die Analyse von organischen und anorganischen Verbindungen. Für die zerstörungsfreie Analyse ist die Messung auch in Reflektion direkt auf einer Malerei möglich. Schwierig ist die Analyse von Mischungen. Es kann sein, dass eine Verbindung so dominant ist, dass die andere nicht zu erkennen ist. Hier hilft dann nur die Trennung der beiden Komponenten. Unter gewissen Bedingungen kann diese Methode auch zerstörungsfrei durchgeführt werden.

Mit einem IR-Spektrometer werden die funktionellen Gruppen in einer Verbindung zu Schwingungen angeregt. Die Energie, die dafür benötigt wird, wird dem eingestrahlten Spektrum entzogen. Dadurch entsteht ein für die Verbindung charakteristisches Absorptionsspektrum.


Raman-Spektroskopie

Raman-Spektroskopie mit gekoppeltem MikroskopRaman-Spektroskopie mit gekoppeltem Mikroskop (Bild: CICS / TH Köln)

Die Raman-Spektroskopie erlaubt die Charakterisierung von organischen und anorganischen Verbindungen. Die Materialien können aus einer oder auch aus mehreren Komponenten bestehen. Besonders bewährt hat sich die Methode bei der Identifizierung von synthetisch organischen Pigmenten. Die Raman-Spektroskopie ermöglicht die Untersuchung von hochatomaren Molekülen, so ist z.B. Graphit von Ruß zu unterscheiden.

Die Raman-Spektroskopie kann mit entsprechenden Geräten zerstörungsfrei erfolgen. Das am CICS eingesetzte Gerät ermöglicht die zerstörungsfreie Untersuchung von kleinen Objekten, bei Gemälden ist derzeitig noch eine Probenentnahme notwendig. Mittels des eingebauten Mikroskops können einzelne Pigmentkörner analysiert werden. Die Raman- und die FTIR-Spektroskopie ergänzen einander sehr gut, da es IR-aktive und Raman-aktive Schwingungen in Molekülen gibt.

Der Ramaneffekt wird durch starkes Licht (Laserstrahlung) erzeugt. Durch die Polaritätsänderungen werden die funktionellen Gruppen zur Schwingung angeregt und es entstehen Absorptionsspektren. Hinderlich bei der Messung ist die Fluoreszenz die bei manchen organischen Materialien (z.B. Bindemittel) die Ergebnisse überdeckt.



Anschliffe eines Geigenlacks im sichtbaren Licht sowie unter Blau- (mitte) und UV-Anregung (rechts)Anschliffe eines Geigenlacks im sichtbaren Licht sowie unter Blau- (mitte) und UV-Anregung (rechts) (Bild: CIC / TH Köln)


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