В ЛЭТИ разработали методику эффективной и безопасной очистки старинных книг и документов с помощью лазерной технологии

Загрязнения (пыль, жир, плесень) негативно влияют на сохранность старинных книг и документов. Они разрушают структуру бумаги, вызывая ее преждевременное ветшание. Устойчивость материалов к этим процессам зависит от технологии их производства: издания до конца XIX века, изготовленные на основе хлопка, льна и конопли, более долговечны, тогда как бумага последующего периода, содержащая древесную целлюлозу и примеси, быстро разрушается даже в контролируемых условиях. В связи с этим удаление загрязнений требует щадящих реставрационных подходов, способных устранить вредоносные наслоения без повреждения микроструктуры и утраты историко-документальной ценности.

В этом контексте перспективным направлением выступают лазерные технологии, которые доказали свою эффективность в реставрации каменных и металлических памятников. Однако ее адаптация для органических материалов, к которым относится абсолютное большинство книжных и документальных фондов, остается на стадии научных экспериментов. При этом лазерные методы обладают явным преимуществом перед традиционными механическими и химическими способами в работе со сложными загрязнениями, концентрирующимися в труднодоступных зонах износа: на верхнем обрезе и корешке. Также загрязнения имеются на нижнем углу страницы, подвергающихся постоянному механическому контакту при перелистывании.

Несмотря на это их применение для деликатной очистки бумаги и пергамена до сих пор находится на стадии фундаментальных научно-исследовательских изысканий. Формирование адаптированных лазерных методик, способных точечно удалять сложные биологические и антропогенные наслоения (включая пигментацию от грибов и жировые загрязнения) без ущерба для артефакта, представляет собой актуальную научно-техническую проблему. Перевод лазерной очистки из разряда экспериментальных исследований в категорию надежных инструментов реставрации является критически важной задачей, от решения которой зависит физическое спасение обширного фонда старинных книг и архивных документов.

«Нами получены экспериментальные результаты по очистке старинных книг, фрагментов переплетов и рукописей с помощью лазерной технологии даже из труднодоступных участков. Исследованные образцы и артефакты удалось эффективно и деликатно очистить от ряда загрязнений, в том числе биологических, вызванных жизнедеятельностью плесневых грибов. Это продемонстрировало, что лазерная очистка может выступить более эффективной и безопасной альтернативой традиционным методам. Кроме того, принцип самоограничения обеспечивает автоматическую остановку воздействия лазера на чистой поверхности, что полностью исключает риск повреждения бесценных артефактов», – рассказала выпускница аспирантуры кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Ангелина Дмитриевна Неелова.

Импульсный волоконный иттербиевый лазер – твердотельный лазер, в котором активной средой является оптическое волокно, легированное ионами иттербия. Лазерная очистка основана на селективном поглощении излучения, вызывающем удаление загрязнений. В зависимости от длины волны этот процесс протекает по фототермическому или фотохимическому механизму.

В данной работе используется ближний инфракрасный диапазон (около 1 микрометра), где преобладают фототермические процессы. Выбор обусловлен оптическими свойствами материалов памятников (бумаги, кожи, пергамена): подложка преимущественно отражает инфракрасное излучение, в то время как загрязняющий слой активно его поглощает. Это обеспечивает эффект самоограничения: как только загрязнение испаряется или удаляется, лазерный луч начинает отражаться от чистой поверхности, что полностью исключает дальнейшее воздействие на сам материал.

Методика тестирования технологии носила поэтапный характер. Сначала она отрабатывалась на современных аналогах (офсетной и художественной бумаге) с использованием модельных загрязнений (графитной пыли, смеси масел) для подбора оптимальных параметров излучения и исключения повреждений. Только после этого исследования перешли к работе с подлинными историческими документами

В качестве объектов были выбраны: один том пьесы «Генрих VI» Уильяма Шекспира (в основном с пылевыми загрязнениями на верхнем обрезе), фрагменты тома по аналитической геометрии начала XIX века на французском языке, фрагменты религиозной книги XIX века с жировыми загрязнениями от масла и воска, фрагмент европейского пергамена XV века, газетная бумага 1942 года с добавлением соломы, а также «Воспоминания и размышления» Маршала Жукова с сильным заражением плесневыми грибами.

Несмотря на колоссальное разнообразие химического состава старинных бумаг, их основной компонент – целлюлоза – эффективно отражает применяемое ИК-излучение, что делает метод универсальным и безопасным при условии, что само загрязнение способно поглощать лазерную энергию.

В работе применялись как сухие, так и влажные режимы очистки. При сухой очистке на низких уровнях энергии преобладают механические процессы, вызванные термическим расширением загрязнителя или подложки, что приводит к «выбиванию» частиц грязи. Если же загрязнение не поглощает излучение напрямую, используется влажная очистка с применением вспомогательной жидкости, например, дистиллированной воды: лазерный нагрев вызывает локальное кипение жидкости, и образующиеся пузырьки пара обеспечивают мягкое механическое удаление наслоений.

Оценка эффективности и безопасности метода проводилась комплексно. Помимо визуального контроля, применялись методы микроскопии, спектрофотометрии (для анализа цветовых координат), инфракрасной спектроскопии, Рамановской спектроскопии, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии.

«Результаты исследований подтверждают, что при оптимизации параметров энергии лазерного излучения, что должно выполняться индивидуально для каждого конкретного объекта, не происходит деструктивных изменений материала: в том числе, разрывов межмолекулярных связей и механических повреждений волокон бумаги. При этом метод можно комбинировать с другими способами очистки. К примеру, верхний слой капель воска можно предварительно удалять скальпелем, а затем продолжить очистку с помощью лазера», – подчеркнула Ангелина Дмитриевна Неелова.

Работы по лазерной очистке бумаги ведутся в вузе научным коллективом кафедры ЛИНС с 2007 года под руководством профессора кафедр Фотоники и ЛИНС Вадима Александровича Парфенова. Выпускница аспирантуры кафедры ЛИНС Ангелина Дмитриевна Неелова внесла вклад в развитие данной тематики, в частности, разработав методику очистки кожи и пергамена.

Большая часть экспериментальных исследований по данному исследованию выполнена с использованием лабораторной базы «ЛЭТИ – ЛазерЛаб», которую запустили в рамках программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030». Результаты опубликованы в периодическом издании «Научные труды Санкт-Петербургской академии художеств».

Фото: пресс-служба СПбГЭТУ «ЛЭТИ»