Las curvas de reflectancia espectral en la pintura artística
¿Qué son las curvas de reflectancia espectral y cuál es su relevancia en la pintura artística moderna? Estas son preguntas que pretendemos responder en esta publicación y de las que hemos querido hablar hace algún tiempo por su importancia en el estudio de los pigmentos y la conservación.
Si lo has notado, en libros como los varios volúmenes de “Artists Pigments” de la National Gallery de Londres, las curvas de reflectancia espectral y la espectroscopía/espectrometría se mencionan en los análisis de los diferentes pigmentos que hemos presentado debido a la información que esté tipo de estudios arrojan.
Sabemos que algunos de nuestros lectores conocen la espectrometría, pero preferimos no quedarnos con las ganas de presentar datos como estos, que resultan de un carácter más avanzado en el análisis de los pigmentos y la colorimetría (un tema que vimos en nuestra publicación “Las sutilezas del color: pintura y colorimetría en las artes)”
Curvas de Reflectancia espectral: Espectroscopía y espectrometría.
Para hablar sobre las curvas de reflectancia espectral primero debemos entender a que nos referimos con espectrometría, espectroscopía y las diferentes entre estos dos campos. De entrada, puedo decirte que el que más nos interesa en el mundo del arte es el de la espectrometría.
La espectroscopia es el estudio de la absorción y emisión de luz y otras radiaciones por parte de la materia. Implica la división de la luz (o, más precisamente, la radiación electromagnética) en sus longitudes de onda constituyentes (un espectro), que se hace de la misma manera que un prisma divide la luz en un arco iris de colores. De hecho, la espectroscopia de estilo antiguo se llevó a cabo usando un prisma y placas fotográficas.
La espectrometría es la medida de las interacciones entre la luz y la materia, y las reacciones y medidas de la intensidad de la radiación y la longitud de onda. En otras palabras, la espectrometría es un método para estudiar y medir un espectro específico, y se usa ampliamente para el análisis espectroscópico de materiales de muestra.
En pocas palabras, a medida que la luz natural se filtra de los cuerpos celestes en el espacio como el sol, pasa por varias reacciones en nuestra atmósfera. Cada elemento químico reacciona de manera ligeramente diferente en este proceso, algunos visiblemente (aquellos en la longitud de onda de 390-700 mm que son detectables por el ojo humano) y algunos invisibles (como las ondas infrarrojas o ultravioleta, que están fuera del espectro visible).
Como cada átomo corresponde a un espectro individual y puede ser representado por él, podemos usar el análisis de longitudes de onda en el espectro de luz para identificarlos, cuantificar propiedades físicas y analizar cadenas químicas y reacciones dentro de su marco.
En resumen, la espectroscopia es la ciencia teórica y la espectrometría es la medida práctica en el equilibrio de la materia a nivel atómico y molecular, aunque a veces se utilizan los términos de manera intercambiable porque van mano en mano y muchas veces le llaman espectroscopía cuando en realidad se refieren a la espectrometría. Por eso, al hablar del análisis de las curvas de reflectancia espectral de diferentes pigmentos y sus resultados, nos estamos refiriendo más que nada a la espectrometría.
Curvas de Reflectancia espectral: Midiendo el color
Habiendo entendido lo anterior, la medición del color se conoce como colorimetría. En este campo se utilizan una variedad de instrumentos. Los más sofisticados, los espectrofotómetros, analizan la luz en términos de la cantidad de energía presente en cada longitud de onda espectral. Las curvas de emisión de las fuentes de luz, son resultados típicos del espectrofotómetro, al igual que, por ejemplo, las curvas de reflectancia espectral de pigmentos de uso artístico como el verde esmeralda.
Es difícil describir el color de una distribución de energía espectral específica. Dado que el ojo percibe un solo color para cualquier distribución de energía dada, por eso es necesario expresar las mediciones de color de una manera relacionada con la percepción. Existen varios sistemas, y algunos se mencionan en esta publicación.
¿Y Para qué sirven la medición de las curvas de reflectancia espectral en el mundo del arte? Por ejemplo, podemos conocer mejor las propiedades de un pigmento, la forma en la que actúa con respecto a la química, a la física y así catalogarlo bajo diferentes criterios.
El cálculo de la cromaticidad y la luminancia es un método científico para determinar un color. Para la rápida determinación visual del color de los objetos, a menudo se utiliza un atlas de color como el de Munsell (también conocido como Munsell Book of Color, para más acerca de este tema checa nuestras publicaciones:”El círculo cromático y la percepción del color” y “La teoría de Munsell para pintar el color de piel”, en el último se ve mejor aplicada su teoría a la práctica).
En este sistema, los colores se combinan con muestras de color impresas a partir de un color sólido tridimensional cuyos parámetros son el matiz, el valor (correspondiente a la reflectancia) y el cromatismo (correspondiente a la pureza o saturación). El eje vertical central proporciona una escala de valores de 10 pasos que se extiende desde el negro en la parte inferior hasta el blanco en la parte superior. Hay 100 tonos divididos en 10 grupos alrededor del eje vertical; cada grupo tiene un nombre de color y consta de 10 subdivisiones a las que se les asigna un número del 1 al 10.
La escala cromática comienza en 0 en el eje vertical y se extiende radialmente hacia afuera de 10 a 18 pasos según el matiz y el valor. La manzana roja discutida anteriormente se designaría 10RP 4/10 en el sistema Munsell, lo que indica un tono púrpura rojizo específico 10RP, un valor de 4 y un croma de 10. Los valores interpolados se usan para dar designaciones más precisas, por lo que la esmeralda- el pigmento verde se puede especificar como 5.0G 6.7/11.2.
Un sistema que es útil cuando no se requiere tal precisión son las Tablas de colores centroides del ISCC-NBS (Inter-Society Color Council–National Bureau of Standards). Tiene 267 designaciones de color numeradas y utiliza términos descriptivos como púrpura muy pálido, marrón amarillento claro y azul grisáceo; la manzana roja es 258 (rojo púrpura moderado) en este sistema, y el pigmento verde esmeralda es 139 (verde vivo).
Otros atlas de color incluyen el sistema de color Ostwald, basado en mezclas de blanco, negro y un color cromático alto; el diccionario de color Maerz and Paul; el sistema de color Plochere; y los estándares de color de Ridgway.
Causas físicas y químicas del color.
Según la ley de conservación de la energía, la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. En consecuencia, cuando un fotón de luz es absorbido por la materia, generalmente por un átomo, molécula o ion o por un pequeño grupo de tales unidades, el fotón desaparece y la materia gana su energía. De manera similar, cuando la materia emite luz, pierde la energía que se llevan los fotones. Un átomo o molécula dados no pueden emitir luz de ninguna energía arbitraria, ya que la teoría cuántica explica que solo ciertos estados de energía son posibles para un sistema dado.
Por supuesto, cuando pensamos en la parte física del color en la vida diaria, la experiencia más común de la mezcla aditiva de colores es la visualización de colores en pantallas de TV o computadoras. Independientemente de la tecnología de visualización (por ejemplo, LCD a color, pantallas de plasma, procesamiento de luz digital), estas pantallas se basan en matrices de píxeles de colores RGB estrechamente espaciados, lo suficientemente cerca como para que la percepción aditiva de la retina corresponda a la suma de múltiples píxeles RGB.
La mezcla sustractiva de colores, por otro lado, se encuentra principalmente en relación con la mezcla de pinturas o pigmentos, ya sea en el estudio del artista o en la impresión de revistas o computadoras. El otro uso común de la mezcla sustractiva de colores es en la fotografía en color, donde la gama de colores en diapositivas o películas cinematográficas se produce mediante tres capas de sustancias químicas que absorben el color, teñidas respectivamente con los colores primarios sustractivos cian (azul-verde), magenta y amarillo.
La espectroscopia de reflectancia visible se basa en el principio de absorción selectiva de la luz: el comportamiento espectral de una superficie pintada frente a una fuente que emite el rango de longitud de onda visible puede dar información sobre su composición.
Los resultados de este análisis son curvas de reflectancia espectral en los que se registra tanto la luz reflejada como la dispersada: mientras que la absorción de la luz es un fenómeno relativamente sencillo, la dispersión de la luz -que también ocurre con los pigmentos- es más compleja. Depende de la diferencia en el índice de refracción del pigmento y el medio de suspensión, y del tamaño de las partículas en relación con la longitud de onda de la luz incidente.
Un espectro de reflectancia muestra para cada longitud de onda la relación entre la intensidad de la luz reflejada y la luz incidente, medida con respecto a una referencia blanca estándar. Esta relación es a la que se llama reflectancia y se expresa en porcentaje (%). Las curvas de reflectancia espectral pueden proporcionar información útil para la identificación de pigmentos ya que la luz que no se refleja se absorbe o se transmite dependiendo de la composición química del material ensayado.
Las características espectrales de reflectancia de los materiales en el rango UV/vis se atribuyen a transiciones electrónicas, mientras que las del rango infrarrojo cercano (NIR) se atribuyen a sobretonos vibratorios fundamentales y modos de combinación.
La literatura científica muestra que esta técnica (espectroscopía de reflectancia) es una herramienta útil para la identificación de pigmentos, aunque, en general, la falta de homogeneidad superficial y la complejidad composicional del material pictórico dificultan la discriminación. Esta es la razón por la que las bases de datos de curvas espectrofotométricas de referencia se construyen comúnmente utilizando pigmentos y aglutinantes conocidos (algunas bases de datos también están disponibles en línea).
Para analizar la distribución de intensidad espectral de pinturas mezcladas en diferentes proporciones, se utiliza un espectrofotómetro conectado a una computadora, que muestra la intensidad de la luz difusamente reflejada (o dispersada) en cada longitud de onda relativa a una superficie blanca predefinida. En la práctica, hay una amplia latitud en lo que la gente considera una "superficie blanca". Si se desea hacer este tipo de experimento es posible en un laboratorio de enseñanza de pregrado, porque los espectrofotómetros de rejilla en miniatura ahora están disponibles comercialmente a un costo razonable.
Curvas de reflectancia espectral: comprendiendo el color
La comprensión de la percepción del color y el comportamiento físico de los pigmentos es compleja. Por ejemplo, la suposición de que la pintura amarilla refleja de forma difusa principalmente longitudes de onda amarillas es incorrecta. Más bien, los experimentos discutidos a continuación muestran que el amarillo refleja una amplia gama de longitudes de onda rojas y verdes, es decir, una fracción significativa del espectro visible. De manera similar, el cian refleja casi todas las longitudes de onda en las regiones espectrales azul y verde, y el magenta refleja una amplia gama de azules y rojos.
El color de los pigmentos mezclados se rige por un proceso sustractivo: cualquier longitud de onda fuertemente absorbida por cualquiera de los pigmentos estará ausente de la luz reflejada por la mezcla. Por lo tanto, el tono está determinado por las longitudes de onda que ninguno de los pigmentos absorbe.
Es por eso que podemos decir que, en este sentido, la mezcla de pigmentos es un proceso sustractivo. Un mensaje importante que se debe aprender al mezclar pinturas altamente saturadas es que los pigmentos mezclados son menos brillantes que cualquiera de los componentes en todas las longitudes de onda porque la pintura de un color específico obtiene su matiz eliminando algunas longitudes de onda.
Mezclar pinturas, por lo tanto, elimina aún más luz. Otro mensaje importante es que también hay un componente aditivo en la mezcla de pinturas, cuando los espectros sustractivos de dos componentes mezclados deben producir negro.
La espectroscopia, por cierto, también es extremadamente útil para combatir la falsificación. Las obras de arte falsas se pueden detectar cuando surgen anacronismos en los materiales y los materiales no se alinean con los utilizados en obras conocidas del mismo artista. Pero la espectroscopia se usa con mayor frecuencia para la conservación, porque identifica las causas del deterioro de las obras de arte y cómo contrarrestarlo.
Si bien existen muchos tipos y variaciones diferentes de espectroscopia avanzada con las cuales se pueden obtener curvas de reflectancia espectral que se utilizan para muchos propósitos y en muchas áreas, los que se utilizan con más frecuencia para examinar obras de arte y artefactos son la espectroscopia infrarroja, la espectroscopia Raman, la espectroscopia de fluorescencia de rayos X y la espectrometría de masas.
Practicando con espectroscopia vibracional
Los átomos en una molécula están en movimiento vibratorio periódico entre sí. La frecuencia de este movimiento vibratorio periódico se conoce como frecuencia de vibración y es característica de cada compuesto químico. Por lo tanto, si se pueden medir las frecuencias vibratorias de una molécula, es posible compararlas con una base de datos de frecuencias y determinar el nombre de la molécula. Esto es lo que hacen las espectroscopias vibratorias.
La forma más directa de sondear las frecuencias vibratorias de una molécula es a través de la espectroscopia infrarroja. Esto se debe a que las transiciones vibratorias normalmente requieren una cantidad de energía que corresponde a la región infrarroja del espectro. La espectroscopia Raman, que generalmente usa luz visible, también se puede usar para medir directamente las frecuencias de vibración. Veamos cómo funciona.
Espectroscopia Raman
La espectroscopia Raman es no invasiva, no destructiva y rápida. La fibra óptica se puede utilizar incluso para la investigación remota. Los espectroscopistas Raman utilizan la base de datos de espectros (o curvas de reflectancia espectral) Raman de materiales artísticos y arqueológicos para determinar la composición química de una muestra. Los espectrómetros Raman generalmente se combinan con un microscopio para observar la muestra y pueden tomar un espectro Raman desde un área pequeña hasta 1 micrón, que es la dimensión habitual de los pigmentos de los artistas.
Curvas de reflectancia espectral para identificar partículas diminutas de pigmentos
La espectroscopia Raman puede identificar fácilmente el pigmento rojo utilizado para un fresco haciendo coincidir una muestra de la obra de arte original con el pigmento correspondiente en la base de datos.
Coloca un pequeño fragmento de fresco rojo bajo un microscopio Raman, mueve el portaobjetos hasta que centres una partícula roja y brilla el pequeño láser sobre ésta para obtener el espectro Raman o curvas de reflectancia espectral Raman (a). Luego, compara eso con las curvas de reflectancia espectral en tu base de datos de pigmentos y encontrarás que el ocre rojo (b) coincide exactamente con los tres picos. El cuarto pico de la derecha es el de carbonato de calcio, el soporte del fresco.
Curvas de Reflectancia espectral para resolver un problema común de conservación : Descubrir el misterio de por qué este ángel de un manuscrito bizantino iluminado parece ser negro.
En el siglo XIII, no era probable que los ilustradores de manuscritos bizantinos pintaran ángeles negros. Entonces, ¿por qué este ángel es claramente negro?
Las curvas de reflectancia espectral Raman de los detalles azules en la esquina izquierda muestra que es ultramar. Eso tendría sentido, ya que los ilustradores bizantinos a menudo usaban ultramar. Se nota que el color rojo de la toga es bermellón, que también encaja, al igual que el marco en blanco de plomo. Sin embargo, examina la cara del ángel y el espectro Raman lo empareja con sulfuro de plomo. Nunca se supo que eso fuera un pigmento, entonces, ¿cuál es la historia?
Resulta que el blanco de plomo se ennegrece al contacto con los sulfuros del aire. Los sulfuros provocan la reacción química del carbonato de plomo a sulfuro de plomo negro. El sulfuro de hidrógeno abundaba en la Biblioteca Británica, donde se conserva el manuscrito, debido a las lámparas de gas que se usaban en el museo durante la época victoriana. Por lo tanto, el blanco de plomo mezclado con pigmento rojo para el tono de la carne de la ilustración se ha convertido en sulfuro de plomo negro.
Cómo funciona
El efecto Raman fue descubierto en 1928 por Sir C.V. Raman. La radiación dispersada por las moléculas contiene fotones con la misma frecuencia que la radiación incidente, pero también puede contener fotones con frecuencia cambiada o desplazada. Este efecto es muy débil: aproximadamente un fotón de un millón (0,0001 %) se dispersará de esa muestra a una longitud de onda ligeramente diferente de las longitudes de onda originales.
A finales de la década de 1930, la espectroscopia Raman se había convertido en el principal método de análisis químico no destructivo. La espectroscopia infrarroja se convirtió en el método preferido después de la Segunda Guerra Mundial, principalmente porque se volvió mucho más fácil de usar debido al desarrollo de detectores infrarrojos sensibles y los avances en la electrónica.
Las mediciones de espectroscopia infrarroja se volvieron rutinarias, mientras que la espectroscopia Raman aún requería operadores calificados e instalaciones de cuarto oscuro, y necesitaba mantenimiento y calibración constantes. Durante la década de 1990, el desarrollo de CCD como detectores de espectroscopia y láseres condujo a espectrómetros Raman más baratos y fáciles de usar. Hoy en día, la espectroscopia Raman es una técnica de rápido crecimiento, no solo por la información analítica que proporciona, sino también porque no es invasiva, no es destructiva y es rápida y, por lo tanto, muy útil para el examen de arte.
Esperamos que esta información acerca de las curvas de reflectancia espectral, la espectroscopía y la espectrometría te de una nueva perspectiva acerca de la pintura y la ciencia detrás de esta, pues el artista trabaja con emoción y ciencia mano en mano en todo momento. Te dejo, por último, este video (en inglés) sobre el análisis no destructivo con espectroscopía llevado a cabo a obras de arte históricas por parte del Instituto Cortauld.
