journal article·2022Open access

A modern look at a medieval bilayer metal leaf: nanotomography of Zwischgold

Qing Wu, Karolina Soppa, Elisabeth Müller, Julian Müller, Michal Odstrcil, Esther Hsiao Rho Tsai, Andreas Späth, Mirko Holler, Manuel Guizar-Sicairos, Benjamin Butz, Rainer H. Fink, Benjamin Watts

Nanoscale· Volume 14· Issue 40

Abstract

Many European sculptures and altarpieces from the Middle Ages were decorated with Zwischgold, a bilayer metal leaf with an ultra-thin gold face backed by silver. Zwischgold corrodes quickly when exposed to air, causing the surface of the artefact to darken and lose gloss. The conservation of such Zwischgold applied artefacts has been an obstinate problem. We have acquired quantitative, 3D nanoscale images of Zwischgold samples from 15th century artefacts and modern materials using ptychographic X-ray computed tomography (PXCT), a recently developed coherent diffractive imaging technique, to investigate the leaf structure and chemical state of Zwischgold. The measurements clearly demonstrate decreasing density (increasing porosity) of the leaf materials and their corrosion products, as well as delamination of the leaves from their substrate. Each of these effects speak to typically observed issues in the conservation of such Zwischgold applied artefacts. Further, a rare variant of Zwischgold that contains extremely thin multiple gold layers and an overlapping phenomenon of Zwischgold with other metal leaves are observed through PXCT. As supportive data, scanning electron microscopy (SEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) coupled with energy dispersive X-ray analysis (EDX) were performed on the medieval samples.
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Research context

OpenAlex topics: Advanced X-ray Imaging Techniques · Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications · Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques

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Affiliations

University of Zurich (UZH), Rämistrasse 73, 8006 Zurich, Switzerland

TH Köln – University of Applied Sciences, Ubierring 40, 50678 Köln, Germany

Bern University of Applied Sciences (BUAS), Fellerstrasse 11, 3027 Bern, Switzerland

Paul Scherrer Institute (PSI), Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen-PSI, Switzerland

Micro- and Nanoanalytics Group, Universität Siegen, Paul-Bonatz-Strasse 9-11, 57076 Siegen, Germany

Carl Zeiss SMT, Carl-Zeiss-Straße 22, 73447 Oberkochen, Germany

Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 11973, U.S.A

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Egerlandstraße 3, 91058 Erlangen, Germany

Institut für Nanotechnologie und korrelative Mikroskopie (INAM), Äußere Nürnberger Strasse 62, 91301 Forchheim, Germany

Funding

Bundesministerium für Bildung und Forschung · Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung · U.S. Department of Energy · Deutsche Forschungsgemeinschaft

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