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更新日期:110年7月14日

來自愛因斯坦的啟發—化學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),是巴洛克小提琴優雅音色的象徵。由國立臺灣大學化學系戴桓青教授帶領的一項研究,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使用過的義大利小提琴。愛因斯坦曾說:「我經常在音樂中思考,我從小提琴獲得了生活中最大的樂趣」。媒體曾經報導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實驗。在蘇黎世的時候,愛因斯坦經常演奏一把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)的雲杉音板中發現了700 ppm的鋁,這是大師進行木材改質工程的第一道線索。正面音板是小提琴最關鍵的聲學元件,佔音色的70%。選擇正確的音板材料對於重現克里蒙納的音色至關重要。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。名琴的木屑經常進入了垃圾筒而不是科學家手中,使得這類研究進展緩慢。

經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助。本研究的第一作者中興大學蘇正寬教授,使用感應耦合電漿質譜 (ICP-MS) 來定量名琴木材的元素組成。作為安德烈的老師,阿瑪蒂(Nicolo Amati)的兩個樣品幾乎不含鋁;作為安德烈師弟,史特拉底瓦里八個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。

阿瑪蒂的化學配方相對簡單: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。對於木材的硬化和穩定,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。

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,現代琴的平均厚度約為3.0 mm,而一些德國學派則保留3.5 mm左右。現代製琴使用未經處理的天然雲杉製作音板,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發生聚集現象。二次諧波信號來自纖維素的螺旋性,但在接受溫和化學處理的阿瑪蒂雲杉中仍然清晰可見。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工程。兩百年來,學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,到了十八世紀後半葉便完全消失,唯有靠現代化學偵探才重見天日。

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加以分析,包含ICP-MS元素分析、光學切片和雙光子顯微術、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。然而,如此豐富的分析證據仍不足以教導我們如何進行逆向工程,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日發表於國際學術期刊《應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)。

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

  • 圖1

    Graphical abstract.

  • 圖2

    Spruce sampling.

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