Variable-temperature Micro-Raman Spectra of Selected Artists’ Pigments. Oral presentation at 96th...

23
Variabletemperature MicroRaman Spectra of Ar6sts’ Pigments: Cadmium Yellow (CdS) Chrome Yellow (PbCrO 4 ) and Maya Blue Jacqueline Wagner Riddle Prof. I.S. Butler Emily Hopkins 96 th Canadian Chemistry Conference and ExhibiMon Quebec City, 30 May 2013, 9 am

Transcript of Variable-temperature Micro-Raman Spectra of Selected Artists’ Pigments. Oral presentation at 96th...

Variable-­‐temperature  Micro-­‐Raman  Spectra  of  Ar6sts’  Pigments:  

Cadmium  Yellow  (CdS)  Chrome  Yellow  (PbCrO4)  

and  Maya  Blue  Jacqueline  Wagner  Riddle  

Prof.  I.S.  Butler  Emily  Hopkins  

   

96th  Canadian  Chemistry  Conference  and  ExhibiMon  Quebec  City,  30  May  2013,  9  am  

Spectroscopy  in  art  conservaMon  

•  Knowledge  of  arMfact  composiMon  

•  StabilizaMon  without  further  damage  –  Temperature,  humidity  and  light  exposure  controlled  

•  IdenMficaMon  of  forgeries    

Some  recent  work  

•  Lead  chromate  (PbCrO4)  – High-­‐pressure  Raman  study  by  Bandiello  et  al.  (2012)  

•  Cadmium  sulphide  (CdS)  –  Temperature-­‐dependent  (-­‐258  to  42˚C)  Raman  study  of  CdS  quantum  dots  by  Neto  et  al.  (2012)  

•  Maya  blue  – Ambient-­‐temperature  Raman  study  of  Maya  blue  pigments  in  different  clay  structures  by  Sanchez  del  Rio  et  al.  (2006)  

Instrument  SpecificaMons  •  inVia  Renishaw  microscope  system  •  Long-­‐working  distance  lens  (50X/0.75)  •  514-­‐nm  (16  mW)  and  785-­‐nm  lasers  

•  Linkam  THMS600  temperature  stage  

My  samples  

CdS  and  PbCrO4  Pigment  InformaMon  Cadmium  Yellow  (CdS)  •  Hexagonal  wurtzite  polymorph,  

occurs  naturally  as  Greenockite  •  Used  in  photoresistors,  solar  cells  •  Commercially  available  starMng  1840  •  Used  by  Monet,  van  Gogh,  MaMsse  

Chrome  Yellow  (PbCrO4)  •  Occurs  naturally  as  

crocoite  (monoclinic  prismaMc)  

•  The  colour  associated  with  school  buses  

 

CdS  Raman  spectrum  514  nm  laser,  5%  of  16mW  

•  301  and  603  cm-­‐1  corresponding  to  the  longitudinal  phonon  mode  (1-­‐LO)  and  its  overtone  (2-­‐LO)  

•  906  cm-­‐1  peak  corresponding  to  second  overtone  (3-­‐LO),  now  visible  due  to  resonance  Raman  effect  

1-­‐LO  

2-­‐LO  

3-­‐LO  

CdS  Temperature  dependency  of  peak  posiMon  514  nm  laser,  5%  of  16mW  

Overall  shihs  for  the  1-­‐LO,  2-­‐LO  and  3-­‐LO  (not  

shown  here)  peaks  in  the  

temperature  range  are  

–8.1,  –17.7,  and  –22.4  cm-­‐1.  

!""# $""# %""# &""# '""# (""# )""# *""# +"""# ++""#

!"#"$%&$'($)&'*%+",-.%/$&')0%

!"#"$%)1&2%+3#450%

6"7#&/#%8/9:1&7(%;",&"-9(4<(#:(,"'/,(%!"#"$%8'/7*%

&"","#-.#

%&","#-.#

%"","#-.#

$&","#-.#

$"","#-.#

!&","#-.#

!"","#-.#

+&","#-.#

+"","#-.#

&","#-.#

!&,+#-.#

!""# $""# %""# &""# '""# (""# )""# *""# +"""# ++""#

!"#"$%&$'($)&'*%+",-.%/$&')0%

!"#"$%)1&2%+3#450%

6"7#&/#%8/9:1&7(%;",&"-9(4<(#:(,"'/,(%!"#"$%8'/7*%

&"","#-.#

%&","#-.#

%"","#-.#

$&","#-.#

$"","#-.#

!&","#-.#

!"","#-.#

+&","#-.#

+"","#-.#

&","#-.#

!&,+#-.#

Raman  shiD  (cm-­‐1)  

CdS  Temperature  dependency  of  FWHM  

•  The  1-­‐LO  and  2-­‐LO  bands  broaden  with  increasing  temperature  

Raman  spectrum  of  PbCrO4  at  25˚C  785  nm  laser,  20%  power  

•  840  cm-­‐1  (s)  peak  corresponding  to  v1  symmetric  stretching  of  CrO4

2-­‐  •  856  cm-­‐1  (overlap)    

•  337,  357,  376,  399  cm-­‐1  v4  and  ν2  bending  modes  

Temperature  dependency  of  PbCrO4  Raman  spectrum  

785  nm  laser,  20%  power  

Maya  Blue  

Mechanochemical  Synthesis  and  Variable-­‐temperature  Raman  study  

Maya  Blue  Pigment  History  

•  Used  by  the  ancient  Mayans  on  polery,  sculptures,  murals  

•  Associated  with  sacrifices  and  offerings  

•  Resistant  to  acids,  alkalis,  solvents,  oxidants,  reducing  agents,  moderate  heat  and  biocorrosion  

Mechanochemical  Synthesis  of  Maya  blue  

•  syntheMc  indigo  and  sepiolite  (Mg4Si6O15(OH)2·∙6H2O)  

purchased  from  Sigma-­‐Aldrich  

•  A  mixture  of  indigo  (2%)  and  sepiolite  (98%)  was  placed  in  a  ball  milling  jar  and  milled  for  0.5  hours  

From  the  top:  structure  of  indigo;  encapsulaMon  of  indigo  molecule  inside  a  sepiolite  tunnel  (with  dashed  lines  indicate  H-­‐bonding  between  the  indigo  C=O  group  and  the  clay  OH2)  Image  from  Giuste6o  et  al.,  2010.  

Raman  spectra  of  Maya  blue  at  25  °C  514  nm  laser  

Raman  spectra  of  indigo  and  Maya  blue  at  25  °C  

 •  AcMvaMon  of  vibraMonal  modes  with  Bu  symmetry  due  to  the  deformaMon  of  indigo  in  the  sepiolite  framework  

Temperature  series  Maya  blue  514  nm  laser  

Conclusions  •  Cadmium  Sulphide  (CdS)  –  Peaks  redshih  and  broaden  with  increasing  temp.  

•  Chrome  Yellow  (PbCrO4)  –  Broadening  and  amorphizaMon  with  increasing  temp.  

•  Maya  Blue  – No  change  up  to  250˚C    

Three  very  stable  pigments!  

Acknowledgments  Thanks  to  Prof.  I.S.  Butler,  Emily  Hopkins,  Yann  Desjardins-­‐

Langlais,  Julia  Bayne,  and  Joël  Poisson.    Thanks  to  NSERC  for  financial  support  used  toward  the  Raman  microscope  and  materials.    

Contact  informa6on:  Jacqueline  Riddle  [email protected]  

Ian  S.  Butler  [email protected]    

References  Arnold,  D.,  et  al.,  An<quity,  2008,  82,  151–164.  Bandiello,  E.,  et  al.,  Physical  Review  B,  2012,  85,  024108.  Giustelo,  R.,  et  al.  Periodico  di  Mineralogia,  2010,  Special  Issue,  21-­‐37.  Gonzalez-­‐Alcudia,  M.,  et  al.,    Adv.  Tech.  Mater.  &  Mater.  Proc.  J.,  2007,  9,  81-­‐86.  

Kleber,  R.,  et  al.,  Studies  in  conserva<on,  1967,  12  (2),  41-­‐56.    Neto,  E.,  et  al.,  Nanotechnology,  2012,  23,  125701-­‐125709.  Frost,  R.,  J.  Raman  Spectrosc.,  2004,  35  (2),  153-­‐158.    Leona,  M.,  et  al.,  Journal  of  the  American  Ins<tute  for  Conserva<on,  2004,  43  (1),  39-­‐54.  

Sanchez  del  Rio,  M.,  et  al.,  J.  Raman  Spectrosc.  2006,  37,  1046-­‐1053.  

Raman  spectra  of  indigo  and  Maya  blue  at  25  °C  

 •  AcMvaMon  of  vibraMonal  modes  with  Bu  symmetry  due  to  the  deformaMon  of  indigo  in  the  sepiolite  framework  

1633  1380  1380  

Raman  shih  (cm-­‐1)  

Indigo  

Maya  Blue  

1680  

Raman  spectrum,  514  nm  laser  of  PbCrO4  •  840  cm-­‐1  (s)  peak  corresponding  to  v1  symmetric  stretching  of  CrO4  

•  856  cm-­‐1  (overlap)  second  v1  band  

•  337,  357,  376,  399  cm-­‐1  v4  and  ν2  bending  modes  

•  1672  cm-­‐1  overtone  of  v1  symm.  stretch  

!"

#!!!!"

$!!!!!"

$#!!!!"

%!!!!!"

%#!!!!"

$!!" &!!" #!!" '!!" (!!" $$!!" $&!!" $#!!" $'!!" $(!!"

!"#"$%&'()%*+#,-.%

PbCrO4  variable-­‐temperature  Raman  series,  514  nm  laser  

•  Peaks  redshih  and  broaden    •  Strong  v1  peak  shihs  –6.8  cm-­‐1  over  the  temperature  range,  v1  overtone  shihs  –9.1  cm-­‐1  

•  Quartet  ca.  350  cm-­‐1  no  longer  disMnguishable  at  higher  temperatures