Magneettikuvaus valottaa myös historiaa tuhoamatta hauraita löytöjä – Antiikin Rooman puiset satamarakenteet analysoitiin Oulun yliopistossa

Näytteet ovat muinaisen Rooman valtakunnan sataman laiturirakenteista, jotka löydettiin Italian Napolista uuden metrolinjan vuonna 2004 alkaneiden kaivausten aikana. Löydöt siirsivät myös metrolinjausta, joka nyt alittaa arkeologiset aarteet, ja metrolinjan osuus avattiin vasta syksyllä 2021. Löydetyn sataman kehitys kertoo Rooman valtakunnan vaiheista, lue lisää.

”On harvinaista, että muinaisia orgaanisia puurakenteita ylipäätään löydetään, sillä yleensä ne hajoavat ajan kuluessa, elleivät ole kosteassa ympäristössä. Poikkeuksellisen löydön mahdollisti pohjavesikerros, joka on säilyttänyt laiturirakenteet vuosisatojen ajan”, Oulun yliopiston tutkijatohtori Otto Mankinen sanoo.

NMR-spektroskopia eli ydinmagneettinen resonanssispektroskopia perustuu radiotaajuiseen säteilyyn, joten se ei vahingoita tutkittavaa kohdetta lainkaan. Sairaaloissa käytettävä lääketieteellinen magneettikuvaus on yksi NMR-spektroskopian tunnetuista sovelluksista. Tekniikassa hyödynnetään atomiytimien magneettisia ominaisuuksia ja saadaan erittäin tarkkaa tietoa aineen rakenteesta ja ominaisuuksista.

NMR-mittauksen kajoamaton luonne on erityisen tärkeää myös, kun tutkitaan arkeologisesti arvokkaita näytteitä tai esimerkiksi maalauksia restaurointia varten. Monet muut menetelmät voivat vahingoittaa näytettä, kuten röntgensäteily tai valomikroskopia, joka usein edellyttää myös näytteen viipalointia, joka on tuhoisaa ja haastavaa, kun kyseessä ovat hauraat ja sienimäiset vedenalaiset puujäänteet. Jos ne nostetaan suoraan esille, aktivoituvat hajottajat voivat tuhota näytteet tai ne voivat rapistua. Uudessa tutkimuksessa puunäytteet säilöttiin vastaavissa olosuhteissa, joissa ne viettivät vuosisatoja.

Tuoreessa tutkimuksessa pyrittiin selvittämään, miten puu käyttäytyy ja säilyy vedessä, sekä rekonstruoimaan hajoamisen aiheuttamat muutokset eli tekemään kattava analyysi arkeologisten puujäännösten rakenteista ja muutoksista. Tutkimus on yksi ensimmäisistä, jossa on sovellettu yhdessä neljää eri NMR-tekniikkaa: relaksometriaa, mikrokuvausta, diffusometriaa ja kryoporometriaa. Arkeologisia kuusen, kastanjan ja vaahteran näytteitä verrattiin tuoreisiin puumateriaaleihin samoista lajeista.

”Tieto rakenteen säilyvyydestä on oleellista ja tärkeää. Se auttaa löytämään uusia keinoja turvata arkeologisesti arvokkaan perinnön säilyminen tuleville polville”, Mankinen sanoo. ”Jatkossa menetelmää on kehitettävä suuremmalla määrällä näytteitä havu- ja lehtipuista. Ne voivat olla hyvin erilaisia riippuen puun iästä, yksilöstä ja näytteen sijainnista rungossa. Nykyisten ja vanhojen puunäytteiden erot edellyttävät huolellista tulkintaa.”

”Puunäytteet haluttiin analysoitavaksi Oulun yliopistoon, sillä yhtenä pitkäaikaisena tutkimusteemanamme on ollut puumateriaalien analytiikka. Jatkossa parasta olisi viedä NMR-laitteita paikan päälle historiallisten löytöjen luo, jotka usein ovat liian hauraita siirreltäviksi”, Mankinen kertoo. Uudet tutkimustulokset edistävät myös liikuteltavien NMR-mittareiden kehittämistä.

NMR-laitteet pienenevät ja halpenevat – sovelluksia useille aloille

Opiskelemaan tullessaan Mankinen yllättyi fysiikan ja NMR-tutkimusten monipuolisuudesta: ”Menetelmiä käytetään todella mielenkiintoisiin tutkimuksiin, enkä aiemmin tiennyt pääseväni mukaan arkeologiseen tutkimukseen.” Seuraavat tutkimukset ovat jo meneillään, nyt vielä vanhemmista neoliittisen kauden asukkaiden jopa 7500 vuotta vanhoista puuesineistä Italian Bracciano-järvellä.

Viime vuosina NMR-menetelmät ovat kehittyneet nopeammiksi ja herkemmiksi, ja trendinä on myös kookkaiden mittalaitteiden pienentyminen. Liikuteltavat NMR-laitteet ovat myös edullisempia.

NMR-spektroskopian käytännön sovelluksille on korkeita odotuksia ja lupaavia tuloksia useilla aloilla, kuten ympäristön ja ilmakehän seurannassa, akkumateriaalien, ekobetonien, kaivosvesien ja katalyyttien tutkimuksessa sekä biokemiassa, kuten Oulun yliopistossa 5.12.2024 tarkastetussa väitöstutkimuksessa.

Tutkimus Comprehensive characterization of waterlogged archaeological wood by NMR relaxometry, diffusometry, micro-imaging and cryoporometry tehtiin yhteistyössä Sapienza University of Rome -yliopiston tutkijoiden kanssa ja julkaistiin lokakuussa 2024 Physical Chemistry Chemical Physics -tiedelehdessä.