Det finns flera tekniker för att studera vilka pigment som användes i en målning och hur mycket de har brutits ner. Men de involverar vanligtvis att skrapa bort ett litet färgflis med en skalpell för att analysera dess sammansättning. Den metoden kan skada pjäsen och begränsa området som ska studeras, sa Zhou.

"Det är lite som operation", tillade hon.

Gå in i pump-sondmikroskopi. Den kan titta in i lager av färg och upptäcka kemiska förändringar som markerar början på ett pigments sönderfall, utan att ta tvärsnitt av originalkonstverket.

Tekniken använder ultrasnabba pulser av ofarligt synligt eller nära-infrarött ljus, som varar mindre än en biljondels sekund, och mäter hur de interagerar med pigment i färgen. De resulterande signalerna kan användas som kemiska fingeravtryck för att identifiera vilka föreningar som finns.

Genom att fokusera laserstrålen på olika platser och djup inom provet kan forskarna skapa 3D-kartor över vissa pigment och övervaka vad som händer i skalor så små som en hundradels millimeter.

För den nya studien använde forskarna pump-probe-mikroskopi för att analysera prover av kadmiumgul färg som utsatts för en artificiell åldringsprocess.

I ett labb på Dukes västra campus rörde Zhou om prover av den berömda färgen. Hon tog en flaska pulveriserat kadmiumsulfidpigment från en hylla, blandade det med linolja och borstade det sedan på objektglas för att torka.

Vissa prover lämnades i en mörk och torr miljö, skyddad från fukt och ljusskador. Men resten placerades i en speciell kammare och utsattes för ljus och hög luftfuktighet – faktorer som är kända för att orsaka förödelse för instabila färger.

Forskarna avbildade sedan färgproverna med hjälp av pumpsondmikroskopi för att spåra nedbrytningsförloppet i mikroskopisk skala.

Jämfört med kontrollprover såg de prover som fick åldringsbehandlingen desto sämre ut för slitage. Efter fyra veckor i åldringskammaren hade de bleknat till ljusare nyanser av gult.

Men redan innan dessa förändringar blev märkbara, var tydliga tecken på förfall redan uppenbara i pumpsondens data, sa Zhou. Kadmiumsulfidsignalen började avta redan i vecka ett och minskade så småningom med mer än 80 % till vecka fyra.

Signalförlusten är ett resultat av kemiska förändringar i pigmenten, sa Zhou. Fukt utlöser omvandlingen av kadmiumsulfid, som är gult, till kadmiumsulfat, som är vitt – vilket resulterar i en vitaktig eller matt form.

Senior medförfattare Warren och Martin Fischer hade ursprungligen utvecklat tekniken för att analysera pigment i mänsklig vävnad, inte konstverk - för att inspektera hudmullvadar för tecken på cancer. Men sedan insåg de att samma tillvägagångssätt kunde användas för konstkonservering.

Det finns en varning:Medan tekniken upptäcker tidiga förändringar på ett oförstörande sätt, kan konservatorer inte enkelt återskapa den skrymmande laserinställningen i sina egna museer. I framtiden säger teamet att det kan vara möjligt att utveckla en billigare, mer portabel version som kan användas för att studera målningar som är för sårbara eller stora för att transporteras och analyseras utanför platsen.

Naturligtvis kan alla färgförluster som redan har inträffat inte vändas. Men en dag kan konstkonservatorer ha ett nytt verktyg för att upptäcka dessa förändringar tidigare och vidta åtgärder för att bromsa eller stoppa processen i dess inledande skeden.

Forskningen har potentiella tillämpningar bortom konstnärernas pigment. Att titta på kadmiumgul nedbrytning i sekelgamla målningar kan hjälpa forskare att bättre förstå moderna material som också är känsliga för väder och vind, till exempel kadmiumsulfiden som används i solceller, sa Warren.

Mer information: Yue Zhou et al, icke-förstörande tredimensionell avbildning av artificiellt nedbrutna CdS-färger genom pump-probe-mikroskopi, Journal of Physics:Photonics (2024). DOI:10.1088/2515-7647/ad3e65

Tillhandahålls av Duke University