约5000年前，现今伊朗地区的人们开始从矿石中提取铜，这一被称为冶炼的工艺标志着人类冶金技术的诞生。随后，世界各地的人们开始利用铜和青铜（铜与锡或铜与砷的合金）制造装饰品、武器、工具等各类物品。然而，研究这些物品的生产过程面临巨大挑战，因为现存证据稀少，且保存下来的文物都受到严格保护。
医学技术的新应用
在《PLOS One》期刊发表的一篇论文中，MIT研究人员展示了一种揭示最早冶金工艺细节的新方法。他们使用X射线计算机断层扫描（CT扫描）技术，研究了5000年前的铜冶炼渣——冶炼矿石的副产品。论文展示了这种主要用于医学领域的非侵入式成像技术，如何揭示古代矿渣内部结构的精细细节。
"尽管矿渣可能无法提供完整的画面，但它讲述了过去文明如何从矿石中提炼原材料并转化为金属的故事，"博士后Benjamin Sabatini表示。"这反映了当时他们的技术能力，并为我们提供了大量信息。我们的目标是全面了解他们是如何制造这些闪亮金属产品的。"
在论文中，Sabatini和资深作者、冶金学教授兼材料科学与工程系Heather N. Lechtman讲席教授Antoine Allanore，将CT扫描与更传统的古代文物研究方法相结合，包括切割样品进行进一步分析。他们证明了CT扫描可用于补充这些技术，揭示样品内部的孔隙和不同材料的液滴。这些信息可能为了解首批地球冶金工匠使用的材料和技术水平提供线索。
"早期青铜时代是人类最早与金属互动的时期之一，"Allanore表示，他同时也是MIT考古与民族学材料研究中心主任。"该地区该时期的文物在考古学上极为重要，但就我们对基础材料和化学过程的理解而言，这些材料本身并未得到很好的表征。CT扫描方法是对传统考古学方法如何确定切割位置和分析样品的变革。"
考古学的新工具
矿渣是在矿石加热生产金属时产生的熔融液体。它含有矿石中的其他矿物成分，以及未反应的金属，通常与石灰石等添加剂混合。在混合物中，矿渣的密度低于金属，因此可以上浮并被去除，冷却时像熔岩一样凝固。
"矿渣的化学解释很复杂，因为在现代冶金实践中，它包含了最终产品中不希望的所有物质——特别是砷，这是铜原始矿物中的关键元素，"Allanore解释道。"在考古冶金学中一直存在一个问题：我们能否利用这些残留物中的砷和类似元素来了解金属生产过程。这里的挑战在于这些矿物，特别是砷，很容易溶解和浸出，因此它们的环境稳定性在解释6000年前制作这些物体时带来了额外问题。"
研究方法与突破
对于这项研究，研究人员使用了来自伊朗Tepe Hissar古代遗址的矿渣。这些矿渣此前已被确定为公元前3100年至公元前2900年期间，并于2022年由宾夕法尼亚博物馆借给Allanore进行研究。
"这个地区常被提及为铜加工和物体生产可能最早发生的地点之一，"Allanore解释道。"它保存得非常好，是具有长途贸易和高度组织化社会的早期遗址范例。这就是它在冶金学中如此重要的原因。"
研究人员相信这是首次尝试使用CT扫描研究古代矿渣，部分原因是医疗级扫描仪价格昂贵且主要位于医院。研究人员通过与剑桥当地一家制造工业CT扫描仪的初创公司合作克服了这些挑战，他们还使用了MIT校园内的CT扫描仪。
"这完全是出于好奇心，想看看是否有更好的方法来研究这些物体，"Sabatini说。
除了CT扫描外，研究人员还使用了更传统的考古分析方法，如X射线荧光、X射线衍射以及光学和扫描电子显微镜。CT扫描提供了矿渣内部结构的详细整体图像以及孔隙和不同材料碎片的有趣特征位置，补充了传统技术，为样品内部提供了更完整的信息。
他们利用这些信息决定在何处切割样品，并指出研究人员经常猜测切割位置，甚至不确定样品的哪一侧最初朝上或朝下。
"我的策略是专注于看起来仍然完整的高密度金属液滴，因为它们可能最能代表原始过程，"Sabatini说。"然后我可以通过一次切片破坏性地分析样品。CT扫描准确显示了哪些内容最有趣，以及你需要研究事物的总体布局。"
矿渣中的历史故事
在先前的研究中，Tepe Hissar遗址的一些矿渣样品含有铜，似乎符合它们是铜生产产物的叙述，而其他样品则完全没有铜的证据。
研究人员发现，CT扫描使他们能够表征含有铜的完整液滴。它还使他们能够识别气体演化形成的位置，这些空隙包含关于矿渣如何生产的信息。
该遗址的其他矿渣此前被发现含有微小的金属砷化合物，导致关于砷在早期金属生产中作用的争论。MIT研究人员发现，砷在其样品中以不同相存在，可以在矿渣内移动甚至完全逃逸，这使得仅通过研究砷来推断冶金工艺变得复杂。
未来展望
展望未来，研究人员表示CT扫描可以成为考古学中解开复杂古代材料和工艺的强大工具。
"这应该是对冶炼铜方面进行更系统研究的重要杠杆，也是继续理解砷作用的关键，"Allanore说。"它使我们能够意识到腐蚀的作用和文物的长期稳定性，以继续了解更多。对于想要调查这些问题的人来说，它将成为重要支持。"
这项研究部分得到了MIT人类洞察协作组织(MITHIC)的支持。X射线CT系统得到了MIT先进生产技术中心的支持。
这项研究不仅展示了跨学科合作的力量，也证明了将现代医学技术应用于考古学研究的前景。通过这种非侵入式方法，科学家们能够获取传统方法难以获得的关键信息，为理解人类早期技术发展提供了全新视角。随着技术的进步，我们可以期待更多类似的创新方法应用于文化遗产保护和历史研究中。
