Técnicas nucleares aplicadas al estudio de piezas

El ININ hoy
Técnicas nucleares aplicadas al estudio de
piezas arqueológicas y obras de arte
Por Javier M. Ortega Escalona ([email protected])
Un reactor nuclear, dos aceleradores de
partículas, microscopios electrónicos y otros
equipos altamente especializados son ahora
instrumentos que se utilizan para el estudio de
piezas arqueológicas y otras obras de arte. Desde
hace poco más de una década, el Instituto
Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) creó
una línea de investigación especializada en el
estudio y la preservación del vasto patrimonio
cultural de México.
«En 1997, se creó el primer laboratorio de
Arqueometría en México para analizar, procesar
y tratar material arqueológico por medio de
técnicas nucleares» señaló la doctora Dolores
Tenorio Castilleros, investigadora del ININ, quien
promovió la creación de este laboratorio y ha
contribuido con una serie de trabajos a la
utilización de técnicas nucleares como
herramienta de la arqueología.
Las técnicas nucleares ofrecen a la antropología
una serie de ventajas sobre los métodos
tradicionales. Por ejemplo, en las
caracterizaciones de huesos, cerámicas, piedras,
pigmentos y otros objetos, es decir, en el
conocimiento de los elementos que componen
las muestras, se da un «diálogo» entre los átomos
de las piezas y de los instrumentos del ININ que
permite conocerlos con extraordinaria precisión
(de partes por millón). A diferencia de los métodos
tradicionales que requieren de un muestras de
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Nuclear
un tamaño suficientemente para ser analizadas,
al aplicar las técnicas nucleares, pueden utilizarse
muestras muy pequeñas, incluso menores a un
gramo. En otros casos, como por ejemplo con
un lienzo o una obsidiana, las pruebas se
practican sobre las piezas completas sin que
requieran de una preparación previa ni sufran
ningún deterioro.
Como ocurre con otras innovaciones tecnológicas,
muchos especialistas de la arqueología
desconocen todavía los atributos de las pruebas
y no consideran a la arqueometría por técnicas
nucleares como una opción con evidentes
ventajas sobre los estudios tradicionales. En otros
casos, las propias instituciones encargadas del
estudio y preservación del patrimonio cultural
mexicano han solicitado la colaboración del ININ
para determinados proyectos.
Algunas de las técnicas utilizadas en el ININ
para la caracterización de materiales
arqueológicos son la emisión de rayos X por
inducción de partículas (PIXE), el análisis por
activación neutrónica (AAN), la fluorescencia de
rayos X (FRX), las espectroscopia de absorción
atómica, las cromatografía de gases o líquidos,
la espectroscopia infrarroja, la difracción de rayos
X y la microscopía electrónica de barrido, que se
describirán brevemente a continuación.
Para la aplicación de la técnica PIXE se requiere
de un acelerador de partículas. En México existen
tres de estos equipos utilizados para
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Figura 1. Esquematización de técnicas analíticas en un acelerador de partículas
investigación científica: uno de ellos se encuentra
en la Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM) y los otros dos, en el ININ. La técnica
PIXE (figura 1) consiste en hacer incidir un haz
de protones -proveniente del acelerador- sobre
los átomos de la muestra; esta reacción produce
que los átomos de la pieza en estudio emitan
las radiaciones características que sirven como
una «huella digital» de los elementos que
componen la muestra. Resultados similares
pueden obtenerse de la fluorescencia de rayos
X, donde se aplica radiación gamma a la pieza.
Para el análisis por activación neutrónica se usa
un reactor nuclear de investigación como fuente
de neutrones. En vez de incidir sobre las capas
electrónicas de los átomos (como lo hacen los
protones en la técnica PIXE), los neutrones van
al núcleo de los átomos de la muestra y los
vuelve radiactivos; el nivel y el tipo de energía
que emite la muestra, permiten identificar
claramente los elementos que la componen.
Otras instituciones mexicanas, regularmente
efectúan sus caracterizaciones por medio de
análisis químicos convencionales, lo que resulta
difícil, lento y, en ocasiones, la pieza se destruye.
En contraparte, con técnicas nucleares las piezas
se irradian, no se destruyen y, previa preparación
del experimento, en minutos pueden obtenerse
resultados.
La microscopía electrónica es otra de las
herramientas en las que el ININ ha desarrollado
una amplia experiencia. A diferencia de los
microscopios ópticos tradicionales que emplean
luz, en los microscopios electrónicos emiten un
haz de electrones que interacciona con la muestra
y se producen varios fenómenos, entre ellos:
¿ se generan electrones retrodispersados y
secundarios, rebotados en la superficie de
la muestra, que proporcionan información
sobre ésta (microscopía electrónica de
barrido);
¿ otros electrones atraviesan la muestra y
ofrecen información sobre su estructura
(microscopía electrónica de transmisión);
¿ los electrones denominados Auger y los
rayos X característicos, proporcionan
información sobre la composición química
de la muestra; y
¿ los electrones absorbidos dan información
sobre la conductividad de la muestra.
Como en el caso de otras pruebas, el Instituto
Nacional de Antropología e Historia (INAH) ha
solicitado al ININ una serie de estudios de
microscopía electrónica. Esta vinculación inspiró
al INAH para adquirir su propio microscopio
electrónico.
Las combinaciones de las técnicas nucleares
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disponibles en el ININ han revelado datos de
importante valor antropológico: por ejemplo,
determinar las sustancias conservadoras que
pueden aplicarse a objetos antiguos para no
dañarlos; establecer la existencia rutas de
intercambio comercial en el México prehispánico
mediante la determinación de la región de
procedencia de ciertos vestigios; o la dieta de un
grupo humano a partir de los elementos
encontrados en restos óseos, entre otras
aportaciones.
A continuación se presenta una breve
retrospectiva de algunos estudios desarrollados
por especialistas del ININ.
Lienzo la Virgen de los Dolores: un acercamiento
al multi-método
La investigación de objetos antiguos únicos es
una actividad ardua y que requiere de exhaustivo
cuidado por parte de los expertos de la
conservación. Un aspecto determinante en esta
labor es saber cómo muestrear las obras, a fin
de obtener información significativa y evitar
daños en la pieza durante su estudio. Una forma
para optimizar la información contenida en el
propio objeto es el uso de varias técnicas analíticas
sobre las mismas micromuestras. Un ejemplo
de este multi-método es el estudio del lienzo de
la Virgen de los Dolores, proveniente de una
colección particular y cuyo origen histórico era
incierto. Esto motivó al propietario a solicitar al
ININ y a otras instituciones que se analizaran
sus materiales para obtener una datación
aproximada, al tiempo que se autentificaba la
obra. Las técnicas que se utilizaron fueron PIXE,
análisis por activación neutrónica, microscopia
óptica, microscopía electrónica de barrido (MEB),
espectroscopia micro-Raman y espectroscopía
infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR).
Estos métodos permitieron identificar los diversos
pigmentos inorgánicos (óxido de hierro, negro
de carbón, blanco de plomo, azul prusiano), así
como añil. Las microscopias aplicadas revelaron
la capa estructural de las muestras, mientras
que FT-IR permitió determinar la naturaleza del
barniz usado (goma laca). A través de este
conjunto de técnicas fue posible identificar los
materiales en la pintura, que son indicativos del
período de manufactura de las obras de arte.
Datación de huesos de mamut
El propósito de esta investigación, realizada con
el INAH, fue datar algunos huesos de mamut
encontrados en el Valle de México, por medio
del método de decaimiento del uranio. Desde
luego, no todas las muestras son susceptibles a
datarse por este método, por lo que fue necesario
aplicar técnicas analíticas previas. Para este
trabajo, primeramente se determinó la
concentración total de uranio en los huesos del
mamut a través de espectrometría ultra violeta;
luego se hizo un estudio de la conservación de
estas muestras por medio de microscopía
electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos
X (XRD) y PIXE. El uso complementario de esta
técnicas permitió verificar el estado de la
conservación del hueso, mientras que el
decaimiento del uranio determinó la edad de
los huesos del mamut.
Estudio de materiales purépechas por las técnicas
PIXE y metalográfica
A solicitud de un investigador de la Escuela
Nacional de Antropología e Historia, se utilizó la
técnica PIXE disponible en el acelerador Tanden
Van de Graaff del ININ para analizar 12 piezas
de cobre encontradas entre las ofrendas de la
tumba del Señor Tarasco, descubierta en el portal
de Matamoros, en Uruapan, Mich., en 1957.
Adicionalmente, se utilizó un microscopio
metalográfico. Esta investigación contribuyó a la
determinación el periodo y las técnicas de
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Nuclear
manufactura de estas piezas metálicas
prehispánicas.
Irradiación gamma para la preservación de
documentos importantes
de documentos de incalculable valor histórico.
En el ININ se han realizado pruebas para
determinar las dosis que deben aplicarse para
cada tipo de papel.
Apoyo a la restauración
Pruebas de microscopía electrónica han
identificado la presencia de hongos en
documentos antiguos, donde la humedad del
medio ambiente permite su crecimiento y el
consecuente daño al papel. Por medio de la
irradiación gamma es posible eliminar los
microorganismos y garantizar la conservación
La técnica PIXE revela que Murillo utilizó obsidianas
mexicanas en sus obras
El ININ fue la única institución extranjera en participar
en un estudio practicado a dos obras de Bartolomé
Esteban Murillo: junto con el Centro de Investigación
y Restauración de Museos de Francia, el Centro de
Investigación en Física Aplicada a la Arqueología, el
Museo Nacional de Historia Natural y el Museo de
Louvre (todas ellas organizaciones francesas), se
investigaron La agonía en el jardín y San Pedro
penitente arrodillado ante Cristo y la columna. Por
medio de la técnica PIXE, se analizaron para identificar
la naturaleza de un material poco utilizado, usado
como fondo en estas obras. Originalmente se
consideraba que el pigmento estaba compuesto por
mármol negro; ahora se sabe que se trata de obsidiana
con una composición idéntica en ambas obras. Esta
composición se comparó con la de seis obsidianas de
las denominadas «espejos ahumados», provenientes
de los museos de Historia Natural y del Hombre, ambos
en París, con muestras geológicas de cinco yacimientos
mexicanos. Las trazas de obsidianas de Murillo de
manganeso, zirconio, estroncio, yodo, rubidio, niobio
y zinc eran muy similares a las de cuatro de los
espejos ahumados y a las de otras obsidianas
procedentes del yacimiento de Ucareo-Zinapécuaro
Al interpretar los procesos físico químicos,
microestructurales y características de los
materiales constitutivos de piezas antiguas se
ofrecen bases a restauradores y arqueólogos para
tomar decisiones apropiadas.
(Michoacán), un importante sitio de extracción en la
época prehispánica. En la literatura sobre el tema, no
se encontraron datos de obsidianas similares en otras
regiones de Mesoamérica, o bien, en los yacimientos
del Mediterráneo. La participación del ININ consistió
en proveer de datos sobre la composición química
elemental (obtenida por la técnica PIXE) de muestras
de los yacimientos de obsidianas más utilizados en la
época prehispánica, así como de muestras físicas. El
estudio determinó que aunque Murillo vivió en Sevilla,
ocasionalmente empleó en sus pinturas materiales
provenientes del Nuevo Mundo.
La agonía en el jardín en la línea PIXE
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Este es el caso delestudio denominado Análisis
por espectroscopía Raman de materiales. El
propósito de este trabajo fue mejorar las técnicas
de restauración a fin de que no se emplearan
materiales ajenos que pudieran dañar las piezas.
Para esto fue necesario caracterizar, por una parte,
materiales utilizados por artistas prehispánicos
en la elaboración de pinturas, utensilios y otros
objetos ornamentales, y por otra, las materias
primas que aplican los restauradores actuales.
Existen pocos estudios sobre este tema y la
mayoría de los datos que se conocen en la
actualidad se basan en fuentes documentales,
más que en estudios científicos. Para este trabajo,
investigadores del ININ hicieron un profuso
estudio bibliográfico sobre sustancias orgánicas,
como pegamientos y pigmentos que se utilizaban
en la época prehispánica, para después conseguir
físicamente las sustancias en algunos expendios
de la Ciudad de México y del sureste de la
República, además de obtener otros materiales
de uso regional y general en la práctica de la
conservación. La labor no resultó fácil, pues
obviamente las materias primas han cambiado
su nombre con el paso del tiempo. Después de
hallar las materias primas, se prepararon
muestras en el ININ y se enviaron al
departamento de Química Analítica de la
Universidad de Gante en Bélgica, donde se
elaboraron espectros Raman1. Los resultados (en
La espectroscopía Raman es una técnica fotónica de alta
resolución que proporciona en pocos segundos
información química y estructural de casi cualquier
material o compuesto orgánico o inorgánico, lo que permite
su identificación. El análisis con esta técnica se basa en
el examen de la luz dispersada por un material al incidir
sobre él un haz de luz monocromático. Una pequeña
porción de la luz se dispersa inelásticamente
experimentando ligeros cambios de frecuencia que son
característicos del material analizado, e independ
ientes de la frecuencia de la luz incidente.
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Aje gum o Axin. es aceite de insectos. Estos viven en la
corteza de los árboles «jatropha curcas» (coquillo, coquito,
cotoncillo). La goma gutta es laca orgánica que da colores
amarillos poco permanentes, por lo que se sustituye por la
aureolita
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Nuclear
cuya interpretación también participaron
especialistas del ININ) demostraron la existencia
de materias primas como aceites de chía y linaza,
cera de Campeche y de abeja, copal blanco,
resinas mastique, chapopote, gomas de aje2.
Restauración del códice Techialoyan
Para la restauración del Códice Techialoyan,
proveniente de la población de San Pedro
Totoltepec, Estado de México, así como de otras
piezas, el ININ colaboró con el Instituto
Mexiquense de Cultura (IMC), por medio de
técnicas analíticas nucleares como PIXE y AAN y
otras aportaciones en ciencia de materiales,
microscopía electrónica y física computacional.
Por medio de la colaboración interinstitucional,
se estudiaron piezas del patrimonio cultural del
IMC, como las pinturas rupestres de Ixtapantongo
y de la cueva del Venado (en Acambay), y los
diablitos de Malinalco. El deteriorado estado de
conservación de algunas de estas piezas y aún
de otras en buenas condiciones, han hecho
necesaria la utilización de técnicas analíticas
especializadas, nucleares y no nucleares.
Procedencia y uso de los raspadores de obsidianas
prehispánicas de Metztitlán, Hidalgo
En este trabajo colaboraron el INAH, el Instituto
de Investigaciones Antropológicas (IIA-UNAM) y
el ININ. La investigación se hizo sobre los
raspadores arqueológicos de obsidiana
encontrados en el área de Metztitlán, Hidalgo. El
ININ contribuyó con dos técnicas analíticas: la
procedencia de la materia prima fue determinada
por medio de análisis por activación neutrónica.
En forma complementaria se utilizó microscopía
electrónica para identificar el uso de las
herramientas prehispánicas. En esta forma, se
infiere que los raspadores de Metztitlán hechos
de obsidianas de Zacualtipan, Hidalgo, fueron
utilizados para la extracción del jugo del agave
en el periodo postclásico tardío. L