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法國科學(xué)家利用拉曼光譜對(duì)考古遺址中的燒焦物質(zhì)進(jìn)行了研究翠冻。研究表明甜熔，利用拉曼光譜可以確定燒焦的是什么物質(zhì)仑撞，以及燒焦溫度有多高。2019年法國巴黎圣母院大教堂大火后音比，研究人員采用這項(xiàng)技術(shù)確定了屋頂結(jié)構(gòu)燃燒時(shí)達(dá)到的最高溫度俭尖。

使用拉曼光譜對(duì)燒焦物進(jìn)行考古研究

法國巴黎高等師范學(xué)院地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室 (Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure de Paris) 的D. Deldicque和J.-N. Rouzaud一直致力于研究燒焦物，以測(cè)量最高碳化溫度洞翩。在高溫和無氧條件下稽犁，有機(jī)材料將碳化形成含有多環(huán)芳烴層的燒焦物。這些層的生長(zhǎng)是不可逆的骚亿，并且取決于碳化溫度已亥。拉曼光譜對(duì)碳化程度非常靈敏熊赖。研究人員將這種方法稱為拉曼古溫度測(cè)定法。

巴黎高等師范學(xué)院地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的D. Deldicque使用inVia?共焦顯微拉曼光譜儀研究燒焦物陷猫。

他們使用一臺(tái)高靈敏度inVia 共焦顯微拉曼光譜儀采集了多種燒焦物的拉曼光譜撰绕。碳的光譜中包含兩個(gè)主要譜帶，即D譜帶和G譜帶在轮，分別位于大約1,350 cm^?1處和1,590 cm^?1處。G譜帶與芳香環(huán)中sp²雜化碳的振動(dòng)模式相關(guān)复罕，D譜帶與芳香環(huán)邊緣的振動(dòng)模式相關(guān)铣碴。

拉曼光譜對(duì)燒焦物中多環(huán)芳烴層的生長(zhǎng)非常靈敏。溫度越高塑业，碳光譜在1,350 cm^-1處的D譜帶強(qiáng)度就越高箱仰。H_D/H_G高度比隨熱處理溫度升高而單調(diào)增加，溫度最高可達(dá)1,300?C低柑。使用校準(zhǔn)曲線屁膝，這種方法可以確定碳化溫度，精確度為±20 ?C汉统。因此穷歹，H_D/H_G比率是一種合適的古溫度計(jì)或“化石熱電偶”。

聚焦巴黎圣母院火災(zāi)中最高燃燒溫度

巴黎圣母院中殿的碳化橫梁（感謝Damien Deldicque和Jean-No?l Rouzaud提供圖片）暂畴。

巴黎圣母院大教堂是始建于中世紀(jì)的歷史性地標(biāo)建筑段直。2019年4月15日的一場(chǎng)大火燒毀了建于12世紀(jì)的大部分橡木框架結(jié)構(gòu)。巴黎圣母院的標(biāo)志性新哥特式尖塔倒塌了溶诞。然而鸯檬，石灰石結(jié)構(gòu)大部分得以保存。

為了幫助圣母院的后續(xù)重建工作螺垢，必須確定火災(zāi)期間達(dá)到的最高溫度喧务。高溫可能會(huì)導(dǎo)致大教堂屋頂上的鉛氣化，從而對(duì)周邊地區(qū)的公共健康造成影響枉圃。此外功茴，大火還可能損壞了剩余的石灰石磚石結(jié)構(gòu)。拉曼古溫度測(cè)定法是唯一一種可估算圣母院的框架結(jié)構(gòu)和拱頂所達(dá)到的最高燃燒溫度的方法讯蒲。

Deldicque和Rouzaud對(duì)火災(zāi)后收集的燒焦物進(jìn)行了拉曼古溫度測(cè)定痊土。他們首先對(duì)大教堂中未燃燒的橡木碎片進(jìn)行了碳化處理，以獲得500?C至1,300?C的校準(zhǔn)曲線墨林。然后使用配備熱電偶的實(shí)驗(yàn)火焰驗(yàn)證了校準(zhǔn)曲線赁酝。通過拉曼古溫度測(cè)定法得出的溫度與直接測(cè)量的溫度一致。

研究人員分析了大教堂耳堂旭等、中殿和交叉口的燒焦物樣本酌呆。在巴黎圣母院大教堂的燒焦物中总党，交叉口的燒焦物燃燒溫度最高，達(dá)到1,200?C忱脆；中殿和北耳堂的最高燃燒溫度分別為1,088?C和1,105?C橘匿。

根據(jù)交叉口（綠點(diǎn)）、北耳堂（藍(lán)點(diǎn)）和中殿（卡其色點(diǎn)）的H_D/H_G比率得出的古溫度測(cè)定結(jié)果圈蔬。

火災(zāi)對(duì)圣母院結(jié)構(gòu)完整性的影響

準(zhǔn)確確定最高燃燒溫度對(duì)于安全高效地完成重建工作非常重要默言。拉曼古溫度測(cè)定法的結(jié)果表明，最高燃燒溫度約為1,200?C杆谓。

1,200°C的高溫足以燒融大教堂屋頂上的鉛豺这。大教堂墻壁上的液態(tài)鉛溶解流證實(shí)了這一點(diǎn)。不過歼虽，這些溫度均低于1,740?C景妻，不足以發(fā)生鉛氣化。圣母院大教堂周邊地區(qū)的任何鉛污染都不可能歸因于屋頂上的鉛在火災(zāi)中發(fā)生直接氣化而灸，進(jìn)而導(dǎo)致氣溶膠污染拐尚。

高溫還可能損壞石灰石磚石結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度。由于熱應(yīng)力的作用电湘，石灰石內(nèi)部在超過300?C的溫度下可能會(huì)出現(xiàn)微裂縫隔节。這會(huì)導(dǎo)致孔隙率增加，而密度和強(qiáng)度降低胡桨。超過900?C之后官帘，固體石灰石 (CaCO₃) 則會(huì)脫碳，產(chǎn)生粉狀石灰 (CaO)昧谊。而圣母院大火的溫度持續(xù)超過了1,000?C刽虹。因此，這些熱變質(zhì)作用可能會(huì)對(duì)圣母院的石灰石框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響呢诬。

拉曼光譜是研究高度碳化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的理想方法涌哲。不僅能提供有關(guān)物質(zhì)本身的線索，還能探知其前身和最高碳化溫度尚镰。

下期與您共賞：《拉曼光譜揭秘洞穴遺址中的燒焦物遺跡》

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（雷尼紹Renishaw）

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