大约5000年前，生活在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活动标志着人类冶金技术的诞生。这一重大变革为当时的人们带来了强大的新技术，并可能奠定了冶金学的基础。不久之后，世界各地的人们开始使用铜和青铜（铜与锡，或铜与砷的合金）来制作装饰品、武器、工具等各类物品。
研究人类如何制造这些物品具有挑战性，因为现存证据稀少，而幸存下来的文物也受到严密保护和保存。
创新研究方法：医学技术应用于考古
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年前的冶炼废渣——冶炼矿石时产生的副产品。在论文中，他们展示了这种主要用于医疗领域的非侵入式成像技术如何能够揭示古代废渣内部结构的精细细节。
"尽管废渣可能无法提供完整的画面，但它讲述了古代文明如何能够从矿石中提炼原材料并制成金属的故事，"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。我们的目标是全面理解他们是如何完成这些闪亮金属产品的制造的。"
在论文中，Sabatini和资深作者、冶金学教授及材料科学与工程系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，包括切割样本进行进一步分析。他们证明了CT扫描可用于补充这些技术，揭示样本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与金属最早互动的时期之一，"Allanore说，他同时也是MIT考古与民族学材料研究中心主任。"该地区那个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确定如何切割和分析样本方法的革新。"
考古学中的新工具
当矿石被加热以生产金属时，会形成熔融的热液体，即炉渣。炉渣含有矿石中的其他矿物成分，以及未反应的金属，这些物质通常与石灰石等添加剂混合。在混合物中，炉渣的密度低于金属，因此可以上浮并被去除，冷却时像岩浆一样凝固。
"炉渣废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需要的所有物质——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年前制造该物品时带来了额外的问题。"
研究对象与方法
对于这项研究，研究人员使用了来自伊朗古代遗址Tepe Hissar的炉渣。这些炉渣先前被测定为公元前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。
"这个地区经常被提及为最早可能发生铜加工和物品生产证据的地方之一，"Allanore解释道。"它保存得非常好，是早期具有长途贸易和高度组织化社会的遗址典范。这就是为什么它在冶金学中如此重要。"
研究人员相信，这是首次尝试使用CT扫描研究古代炉渣，部分原因是医用级扫描仪价格昂贵，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。他们还在MIT校园使用了CT扫描仪。
"这真的是出于好奇，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扫描提供了炉渣内部结构和有趣特征（如孔隙和不同材料碎片）位置的详细整体图像，补充了传统技术，提供了关于样本内部更完整的信息。
他们利用这些信息决定在哪里切割样本，Sabatini指出，研究人员经常猜测切割样本的位置，甚至不确定样本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、高密度的金属液滴，因为这些可能最能代表原始工艺，"Sabatini说。"然后我可以通过单次切割对样本进行破坏性分析。CT扫描准确地显示了哪些内容最有趣，以及你需要研究事物的总体布局。"
炉渣中的发现
在先前的研究中，Tepe Hissar遗址的一些炉渣样本含有铜，因此似乎符合它们源于铜生产的叙述，而其他样本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的位置，形成的信息炉渣如何生产的空隙。
该遗址的其他炉渣先前被发现含有小的金属砷化合物，导致人们对砷在早期金属生产中的作用存在分歧。MIT研究人员发现，砷以不同的相存在于他们的样本中，可以在炉渣内移动甚至完全逸出，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，以继续了解更多知识。对于想要研究这些问题的人来说，这将是一个重要的支持。"
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。
研究意义
这项研究不仅为考古冶金学提供了新的研究方法，还展示了跨学科研究的重要性。将医学成像技术应用于古代文物研究，不仅能够保护珍贵文物免受破坏性分析的损害，还能揭示传统方法难以获取的关键信息。
通过CT扫描技术，研究人员能够清晰地观察到古代炉渣内部的微观结构，包括铜滴的分布、气体演化形成的孔隙以及砷元素的存在形态等。这些信息对于理解早期冶金工艺的温度控制、添加剂使用以及金属纯度等方面具有重要价值。
此外，这项研究还为考古学家提供了一种非破坏性的分析方法，使得珍贵文物在研究过程中能够保持完整性，为后续的展览和保存创造了条件。随着技术的不断发展，CT扫描等先进成像技术将在考古研究中发挥越来越重要的作用，帮助我们更好地了解人类文明的发展历程。
