SIPÁN Splendor and Mystery of the Royal Tombs of the Mochica Culture PIXE, RBS and ICP-MS Analysis of a Moche Archeological Artifact Manfredo H. Tabacniks Instituto de Física USP • • • • • • • Erich Saettone José AS da Matta Ricardo M. O. Galvão José F. D. Chubaci Walter Alva (Museu Brüning, Peru) Márica CA Fantini Pedro Kiyohara A cultura Mochica • Viveu no Vale Mocha, junto aos Andes, norte do Peru, 1 AC e 7 DC. • Sociedade com grande desenvolvimento tecnológico, artístico e uma complexa organização. • Inovaram na tecnologia e metalurgia, com extensivo uso de cobre para ornamentos, armas e ferramentas. • Desenvolveram uma sofisticada técnica para douração do cobre por uma camada de ouro extremamente fina e homogênea. Em 1987 com a descoberta da Tumba Real de Sipán, (Sipán = Templo da Lua) temos pela primeira vez um vislumbre do explendor e grandiosidade de seus soberanos e podemos reconstruir a história dessa extraordinária cultura (Walter Alva, 2000). Alva, W. Sipan, Discovery and Research, Lima: Quebecor Perú, 2000. Alva, W. Sipan, Discovery and Research, Lima: Quebecor Perú, 2000. Alva, W. Sipan, Discovery and Research, Lima: Quebecor Perú, 2000. O funeral do Lorde de Sipán e 8 companheiros, 300DC. Alva, W. Sipan, Discovery and Research, Lima: Quebecor Perú, 2000. Câmara funerária Alva, W. Sipan, Discovery and Research, Lima: Quebecor Perú, 2000. Alva, W. Sipan, Discovery and Research, Lima: Quebecor Perú, 2000. Craftwork technology “sheet-metal work” • Electrochemical replacement plating • Depletion gilding or silvering Lechman, 1984. Sci. Am. 250 38 ELECTROCHEMICAL REPLACEMENT PLATING Corrosive minerals gold + water + NaCl + KNO3 + KAl(SO4)2 • 12H2O Alkalize the solution to pH = 9 A fine gold coating can be formed on copper by dipping it in the solution for approximately 5 minutes. The golden film can be fixed by annealing it at 500 to 800 °C. Lechman, 1984. Sci. Am. 250 38 DEPLETION GILDING TUMBAGA = copper + silver + gold Cold hammering Remove the copper oxide on the surface Anneal Remove the silver on the surface using a corrosive mineral mixture Lechman, 1984. Sci. Am. 250 38 peça para análise Chocalhos cencerros LIMPEZA Pincel umedecido com acetona; •Limpeza por desbaste atômico em reator de plasma ECR (Electron-Cyclotron-Resonance) em câmara de vácuo. •Plasma de argônio, 2 x 10-5 mbar. •Fonte RF 13,56Mz, 40W Laboratório de Física de Plasmas, IFUSP Erich Saettone, Prof. Ricardo M.O.Galvão e- temperature = 12eV ne = 5.1015 m-3 plasma potential = 25 V RF power = 40 W Resultado da limpeza por plasma Análise de Materiais por Feixe Iônico Feixes (haz) de íons com ~2 MeV + He RBS Rutherford Backscattering Spectrometry Eo Concentração absoluta (at/cm2) e perfil em profundidade Alcance (feixe com 2MeV): H+ ~30µm, He+ ~2µm Sensibilidade < 1012 Au/cm2 Rápido (~10min) PIXE Particle Induced X-Ray Emission Concentração absoluta (at/cm2) Alcance (feixe com 2MeV): H+ ~30µm Sensibilidade < 1012 Au/cm2 ou ~ppm bulk Alta resolução para elementos vizinhos Rápido (~10min) E' H+ Raio X LAMFI - Laboratório de Análise de Materiais com Feixes Iônicos PIXE Particle Induced X-Ray Emission RBS Rutherford Backscattering Spectrometry Estratégia de Análise Região negra 2 amostras Região dourada 1 amostra a) superficial (2,5μm) b) profunda (30μm) superficial (2,5μm) Análise PIXE da mancha dourada Análise PIXE da matriz negra Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teórica feixe de He+, 2,4 MeV (alcance ~2 µm) superfícies Ag Au Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teórica feixe de H+, 2,4 MeV (alcance ~20 µm) Au Cu Ag Composição relativa da “mancha dourada” relative concentration 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 gold silver copper 0.3 0.2 0.1 0.0 0 depth (µm) 1 2 3 Espectro RBS da região negra (matriz) superfície Cu superfície Cl superfície O feixe de He+, 2,4 MeV (alcance ~2 µm) Análise ICP-MS com laser ablation ELAN 6000 - Perkin Elmer Laser Nd:YaG, 10mJ por “tiro”. Furos com 10 ou 30µm de profundidade e cerca de 30 µm de diâmetro. 320 “tiros” em 90s. Escolhidos tres pontos na amostra: • mancha dourada • matriz superfície (região negra) • matriz fundo (região negra, ~20µm) Perfil em profundidade para alguns elementos (Au, Cu, Ag, O, Cl..) Uma análise para “todos” os elementos nos mesmos tres pontos. ICP-MS nebulizador vácuo tocha 6000 °C cones amostrador lente e separador filtro e/m quadrupolo eletrostático detector + Nd YAG Ar desbaste por laser sólido aerosol átomos gás íons ICP-MS sampler and skimmer cones lente injetor spray chamber detector Vácuo 10-5 t tocha de plasma 6000°C amostra nebulizada válvula alto vácuo filtro quadrupolo eletrostático ICP-MS: limites de detecção (líquidos) 10 ppb 0.1 - 1 ppb 1-10 ppt <1 ppt Análise ICP-MS com laser ablation (mancha dourada) goldperu4 1.0E+08 ratio to copper 20 A63 Cu A107 Ag A197 Au goldperu4 107Ag 18 Au/Cu 197Au 16 1.0E+07 14 ouro 1.0E+06 12 10 cobre 8 6 Ag/Cu 1.0E+05 4 prata 2 0 1.0E+04 0 2 4 6 8 10 depth ±20% (µm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 depth ±20% (µm) Análise ICP-MS com laser ablation (matriz fundo) goldperupreto2 1.E+08 A63 Cu A107 Ag A197 Au A35 Cl A60 Ni 1.E+07 Cu 1.E+06 Au 1.E+05 Ag Cl 1.E+04 Ni 1.E+03 1.E+02 0 2 4 6 8 10 12 depth (µm) Análise ICP-MS com laser ablation (matriz fundo) 0.20 goldperupreto2 ratio to copper 0.18 197Au 107Ag Au/Cu 0.16 35Cl 60Ni 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 Ag/Cu 0.04 Cl/Cu 0.02 Ni/Cu 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 depth ±20% (µm) Análise ICP-MS: razão elementar para o Cu e Au 1.E+02 elem% rel cobre 1.E+01 1.E+00 ? 1.E-01 ? 1.E-02 1.E-03 Cu Cl S Au Ag Si Se Al K P Zn Ni As Te Pb Hg Gd Mo Ba Sm U Ga Mg Nd Dy Yb Er Ge Co Pd Pt Cd 1.E+01 elem%rel ouro ? 1.E+00 1.E-01 ? 1.E-02 1.E-03 1.E-04 Cu Cl S Au Ag Si Se Al K P Zn Ni As Te Pb Hg Gd Mo Ba Sm U matriz raso Ga Mg Nd Dy Yb Er Ge Co Pd Pt Cd Sb Sr Rh Hf Sn Fe matriz fundo dourado Análise ICP-MS: razão elementar para o Si 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 Cu Cl S Au Ag Si Se Al K P Zn Ni As Te Pb Hg Gd Mo Ba Sm U Ga Mg Nd Dy Yb Er Ge Co Pd Pt Cd Sb Sr Rh Hf Sn Fe 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 Fe Ru Tm Eu Na Ho W Zr Pr Th La Lu Ta Tb Y Nb Ir matriz raso In Os Rb Be Bi Cs Re Mn B Sc Cr Li matriz fundo dourado V Ti Análise ICP-MS: fator de enriquecimento relativo “negro raso” [ x] [ Si ] AMOSTRA FE [ x] [ Si ] REFERENCIA contaminação do solo > 1 outra origem = 1 mesma origem <1 ? FE: [Elem-x]/[Si-x]/[Elem-m]/[Si-m] 100.0 Negro Fundo Dourado 10.0 1.0 0.1 K Na Au Ag Mg Cu Hg Cl Fe Bi Pt As Ir Ni Hf Cr S Eu Sr Yb Ho Sn Elemento Análise ICP-MS com laser ablation elementos não associados com o solo local (FE>1) K Na Au Ag Mg Cu Hg Cl Fe Bi Pt(?) As(?) Al Electrochemical Replacement Plating NaCl + KNO3 + KAl(SO4)2 • 12H2O Conclusões Um exemplo do poder do uso combinado de várias técnicas analíticas derivadas da tecnologia da física nuclear para explorar uma amostra arqueológica; Um fascinante exemplo de nanotecnologia Moche gracias [email protected] www.if.usp.br/LAMFI J. Phys. D. Applied Phys. 36 (2003) 842-48.