來自愛因斯坦的啟發(fā)—化學(xué)家變身名琴歷史偵探

來自義大利克里蒙納的史特拉底瓦里（Stradivari)和瓜奈里（Guarneri），是巴洛克小提琴優(yōu)雅音色的象徵。由國立臺灣大學(xué)化學(xué)系戴桓青教授帶領(lǐng)的一項研究，揭示了名琴木材背後的秘密。此研究的靈感源自一把愛因斯坦曾經(jīng)使用過的義大利小提琴。愛因斯坦曾說：「我經(jīng)常在音樂中思考，我從小提琴獲得了生活中最大的樂趣」。媒體曾經(jīng)報導(dǎo)愛因斯坦對於史特拉底瓦里名琴的著迷，他也嘗試過修改小提琴面板來進行聲學(xué)實驗。在蘇黎世的時候，愛因斯坦經(jīng)常演奏一把1865年的Postacchini小提琴。到了1957年，這把琴出借給本研究的共同作者Nagyvary，讓他開始思索義大利名琴的秘密。

1980年左右，Nagyvary教授在安德烈．瓜奈里（Andrea Guarneri）的雲(yún)杉音板中發(fā)現(xiàn)了700 ppm的鋁，這是大師進行木材改質(zhì)工程的第一道線索。正面音板是小提琴最關(guān)鍵的聲學(xué)元件，佔音色的70%。選擇正確的音板材料對於重現(xiàn)克里蒙納的音色至關(guān)重要。但只有在重大修理時，才有機會從名琴的修補部位刮下木屑。名琴的木屑經(jīng)常進入了垃圾筒而不是科學(xué)家手中，使得這類研究進展緩慢。

經(jīng)過三十年的樣本蒐集，Nagyvary 與合作者得到了世界各地修琴師和奇美博物館的協(xié)助。本研究的第一作者中興大學(xué)蘇正寬教授，使用感應(yīng)耦合電漿質(zhì)譜 (ICP-MS) 來定量名琴木材的元素組成。作為安德烈的老師，阿瑪?shù)伲∟icolo Amati）的兩個樣品幾乎不含鋁；作為安德烈?guī)煹埽诽乩淄呃锇藗€樣品的含鋁量也都少於50 ppm。但安德烈的孫子耶穌瓜奈里的兩個樣品卻含有2900和1300 ppm 的鋁。由此可見，這些元素並不是木材供應(yīng)商添加的，也不是後來的意外汙染，而是製琴師各自在家中炮製出獨門秘方。

阿瑪?shù)俚幕瘜W(xué)配方相對簡單：少量的硼砂、硫酸鐵、硫酸銅或硫酸鋅作為防霉劑。他的學(xué)生史特拉底瓦里和瓜奈里不只繼承這個配方，更勇於嘗試加入更多礦物質(zhì)。對於木材的硬化和穩(wěn)定，史特拉底瓦里使用鹽水浸潤，而瓜奈里使用明礬作為交聯(lián)劑。對於鹼處理，史特拉底瓦里使用草木灰 (K2CO3/KOH)，而瓜奈里使用石灰 (CaO)。鹼性可能會破壞半纖維素並促進纖維素重新排列，這正是中國古代斲琴師所提倡的人工老化技術(shù)。

史特拉底瓦里音板的中心厚度為2.0-2.8 mm；耶穌瓜奈里為 2.2-2.9 mm。相比之下，現(xiàn)代琴的平均厚度約為3.0 mm，而一些德國學(xué)派則保留3.5 mm左右?，F(xiàn)代製琴使用未經(jīng)處理的天然雲(yún)杉製作音板，削太薄會有音色空洞與破裂的疑慮。而史特拉底瓦里的雲(yún)杉卻喪失了95% 的二次諧波信號，其中纖維素的微纖絲可能已經(jīng)發(fā)生聚集現(xiàn)象。二次諧波信號來自纖維素的螺旋性，但在接受溫和化學(xué)處理的阿瑪?shù)匐?yún)杉中仍然清晰可見。因此，史特拉底瓦里的秘密並非只是簡單老化，而是特殊的材料改質(zhì)工程。兩百年來，學(xué)者們翻遍文獻也沒有見過製琴師改良木材的蛛絲馬跡，這項秘密藏得太深，到了十八世紀(jì)後半葉便完全消失，唯有靠現(xiàn)代化學(xué)偵探才重見天日。

儘管每把名琴的木屑樣品極少（30-300 毫克），此項研究成功使用多種尖端技術(shù)加以分析，包含ICP-MS元素分析、光學(xué)切片和雙光子顯微術(shù)、掃描式電子顯微鏡、核磁共振和紅外光譜；同步輻射的XRD、XRF、XANES與斷層掃描顯微術(shù)。然而，如此豐富的分析證據(jù)仍不足以教導(dǎo)我們?nèi)绾芜M行逆向工程，還需要更多實驗與嘗試錯誤才能找出製琴的秘方。

研究成果於2021年6月1日發(fā)表於國際學(xué)術(shù)期刊《應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。

原文連結(jié)：https://doi.org/10.1002/anie.202105252