“太赫茲+考古”揭開藏在文物里的秘密

創作于1777年的《獻祭維斯塔》，是西班牙畫家戈雅早期代表作之一。240多年過去，關于畫作的一些秘密，被時間沖淡，掩蓋于逐漸加深的顏料和漆層中。

而現代技術的加持，揭開了肉眼沒法“窺探”的謎底。2013年，巴塞羅那的科學家們，利用Mini-Z太赫茲時域光譜系統對畫作進行掃描成像分析后，在畫作表層下發現了一處痕跡。

經對比，其與戈雅以往的簽名一致。研究者推斷，這是畫家最早用鉛筆留下的，后背覆蓋。相較于其他電磁波探測技術，太赫茲對物質分子組成較為敏感，所以鉛字和周圍畫布以及顏料的結構，在反射成像中分別有了不同的“表達”，從而被辨認了出來。

簽名的發現，給與了畫作最有力的認證。這次研究，被視為太赫茲技術應用的經典案例之一。

在中國文物保護和考古研究領域，太赫茲技術的應用場景更為多樣，前景更為廣闊。太赫茲應用的主要關鍵技術——太赫茲成像和成譜技術，在文物無損檢測、材料分析上體現出的優勢，亦受到了越來越多的關注。

近些年，在電子科技大學太赫茲研究中心（以下簡稱研究中心），科研工作者們也開辟了這一“賽道”，以期與燦爛的中國古老文明，產生更多意想不到的連接。

無損檢測 太赫茲技術大有可為

2018年，研究中心負責人、教授胡旻去參加浙江大學校友會時，和浙江大學藝術與考古學院教授張暉聊起了中國古代壁畫研究。

張暉提到了新疆克孜爾的壁畫制作過程：古人一般先涂一層膠，然后再刷顏料。這種膠，是從植物或動物身上提取的脂類。

“是否可以運用太赫茲技術，去鑒定這些脂類，通過對比判斷其到底是來自中原還是天竺？”對方的突然發問，一下子打開了胡旻的思路。

要想實現對文物原位、無損的檢測，研究者們通常采用X射線、超聲波、紅外、拉曼光譜等電磁波技術對文物進行內部結構探測、真偽鑒定、成分分析等。

但在電磁波譜“少有人在意的角落”，太赫茲波（頻率在 0.1~10THz，波長在3 ~0.03mm之間的電磁波）也有它獨特的優勢。

“與紫外、紅外光相比，太赫茲輻射對很多介電材料和非極性的物質具有一定的穿透性，如陶瓷，木材、泥土、紙板等，而且對金屬物體具有強烈的反射性。”胡旻表示，而且太赫茲輻射的光子能量只有X射線的萬分之一，對人體無傷害，更不會引起電離反應，破壞文物。

此外，相較于X射線，太赫茲對物體分層較為敏感。太赫茲脈沖輻射擁有皮秒級脈寬，能有效地進行時間分辯研究。無需切開文物，研究者可根據不同物質層次間反射回的信號，獲得內部層位信息實現層析成像。

太赫茲波的指紋譜特性，也決定了太赫茲技術在文物檢測方面大有可為。太赫茲波的頻段覆蓋了大量物質分子的轉動能級與振動能級，不同的物質分子在太赫茲光譜上所呈現的吸收特征也不一樣，具有指紋般的唯一性。

目前利用太赫茲技術檢測地溝油，就是基于這一原理。“同樣，我們也可以去鑒定壁畫上的脂類涂層，或者繪畫作品上的顏料成分。”胡旻說道。

在國外，“太赫茲技術+文物考古”已不是新鮮事，但多見于繪畫作品的檢測。在國內，這項技術潛在的應用場景更豐富，漆器、壁畫、泥塑......一些研究者也進行了探索和嘗試。

“從中國科學院院士劉盛綱開始，我們幾代人接力于太赫茲研究領域深耕了二十余年。”胡旻介紹，這個期間，團隊最開始研究的是基礎技術理論和器件，然后陸續搭建了一些簡單的Demo系統，也在口腔醫學、細胞成像等應用場景進行了探索。“但我總感覺拓展的應用點還是不夠。”

和校友交流后，他有了謀劃：“或許考古，是個新的契機？”

解密三星堆 探尋肉眼看不到的信息

與浙江大學藝術與考古學院建立聯系后，經對方牽線搭橋，2019年，胡旻和團隊又與四川省文物考古研究院、三星堆博物館展開交流，后續就考古研究、文物保護和文化傳承達成合作。

青銅器出土后，大多會有一層藍綠色的銅銹層。銹層多厚，成分如何，分層結構怎樣，都可以利用太赫茲時域光譜儀器進行測定。

在研究中心實驗室，記者見到了發射太赫茲脈沖的終端——控制著檢測探頭的機械臂，其內部程序由研究中心自主開發完成。

胡旻和張曉秋艷向記者介紹機械臂。羅莎攝

系統啟動后，機械臂會根據算法規劃路徑，沿著下方文物樣品的法線，進行非接觸式逐點掃描。“為了精準測定銹層厚度，或分層信息，機械臂會一直保持‘發射端-接收頭’與樣品表面的垂直。”胡旻介紹。

“銹層厚度測量和激光測距的原理類似。”他解釋，不同點在于太赫茲波有穿透性，同一束波在樣品內部不同界面都有相應的反射信號，并在時域太赫茲光譜上體現出不同的峰值。“采集兩個峰值之間的延遲時間，結合光速、銹層折射率等信息，即可計算出銹層的厚度。”

近期的銹層測厚工作，迎來了一個“插曲”。在3號坑的挖掘工作中，青銅器的銹蝕層上出現了罕見的嫩黃色，經化驗確定其成分為鉛錫黃。已知信息顯示，這類黃的使用只追溯到了14世紀初，通常作為顏料用于琺瑯器和油畫。

但鉛錫黃需由人工制備，對溫度要求極高。研究人員不禁好奇，距今大約3100-5000年前的三星堆青銅器上，這類黃從何而來？

為此，研究中心對樣品上的鉛錫黃的厚度進行了測定。

“分布很均勻！”第一時間看到這個結果后，團隊成員莊羽軒十分興奮：“如果是自然形成，不同濕度環境下，銹層一定厚薄不均，也許這真就是人為涂抹的。”但當團隊拿著厚度測定和化學還原的結果與考古專家商討后，他發現“還有很長的路要走”。

“現在只能初步判斷這抹黃的形成，可能有人為干預。”胡旻說，但其到底是不是作為顏料制備而成，還是在自然腐蝕中產生，都有待進一步的討論和研判。

莊羽軒對此感受頗深：因為技術檢測的結果直觀且絕對，所以會感到真相已在咫尺，但其實依舊相距甚遠。這也讓這群理工科學者，感受到了在歷史中抽絲剝繭的樂趣。

對青銅器銹層成分的無損檢測，也是研究中心跨界考古的一項重要工作。銅銹層中氯化銅的成分對文物會有腐蝕性，而碳酸銅則會形成“保護膜”，延緩青銅器的氧化和腐蝕。因此，測定銹層性質，對文物保護有著重要意義。

以往，考古人員會在盡量不破壞文物的情況下，于邊角處刮下一點粉末，送去做拉曼光譜檢測，以確定成分。

“現在，當機械臂將一束束人肉眼無法觀察到的光波打到銹層后，我們通過返回信號得到其分子結構的指紋譜信息，就能反推其是‘好’銹或‘壞’銹。”研究中心成員、博士生張曉秋艷表示，研究中心正在創建標準化的物質成分太赫茲指紋譜數據庫，為鑒別工作提供參考。

2021年胡旻團隊和三星堆修復研究室展開交流。受訪者供圖

讓太赫茲波“看”得更清

之所以能夠順利開拓太赫茲技術新的應用場景，離不開團隊在基礎研究方面的積累。

針對太赫茲波功率低的“短板”，團隊解決了高功率輻射源的問題。“這也是我們‘起家’的本領。”張曉秋艷介紹，太赫茲功率又被稱為動態范圍，系太赫茲技術應用的一個關鍵參數，關系到探測的靈敏度。

“同時，我們還攻克了太赫茲超分辨成像的難題，目前成像水平精度能達到20納米。”說到這，胡旻回憶起了發生在2018年的一件小事。

當時，一臺從德國“遠道而來”的基于太赫茲時域光譜的近場光學顯微系統入駐了研究中心。可系統成像效果并不理想，團隊便有了改裝的想法。

“拆嗎？”看著眼前花500多萬買回的機器，張曉秋艷有點“下不了手”。

“沒關系，拆！”胡旻一口回應。

在后續兩年左右的時間里，大家一起先搭建了真空輻射源，又改進了光路零件和反射鏡等，逐步摸透了系統的物理原理，一點點“孵化”出了國內首臺基于大功率輻射源的太赫茲散射式掃描近場顯微系統。

傳統的太赫茲時域光譜成像技術受波長的衍射極限影響，使得太赫茲波在應用中只能“看清”300微米左右尺寸的物體，連頭發絲都很難識別。

為此，在對原有設備進行改進的過程中，胡旻和團隊引入了近場技術。該技術將太赫茲系統與原子力顯微鏡結合，利用原子力納米級針尖將樣品表面太赫茲近場散射出來，從而實現樣品的太赫茲近場成像，分辨率可以達到納米級別。

胡旻打了個比方，如果將太赫茲波的光斑看作整個屋子那么大，研究人員只想看到桌子上一個杯子對太赫茲波的響應。“現在我們可以通過一個‘針尖’，在這個屋子里進行掃描，從而獲取我們想要的整個屋子里細節的信息。”

基于該技術，團隊實現了太赫茲成像納米級分辨率，甚至能“看到”單個蛋白質、單細胞、細菌對太赫茲的響應，為生物學領域提供一種全新的細菌辨識方法。

攻克太赫茲頻段近場顯微系統后，胡旻和團隊也在從系統研發向產業化邁進。同時，他們將利用更高分辨率的太赫茲成像技術手段，繼續推進文物保護工作。“除了對三星堆相關出土文物進行無損檢測外，我們還計劃針對文物顏料成分老化過程進行監測研究，為文物還原修復提供技術支持。”