Wie lässt sich das Alter von Papier genau bestimmen? Mit dieser Frage beschäftigte sich Dr. Florian Coppola. Mehrere Wochen lang saß sie in Nuko und durchsuchte die Seiten alter Bücher mit einem Spektrometer. Mit Hilfe von maschinellem Lernen entwickelten sie und ihre Kollegen eine präzise Methode, die sowohl für historische Studien als auch für moderne forensische Untersuchungen nützlich ist.

Floriana Coppola, Forscherin am Labor für Kulturerbewissenschaft der Fakultät für Chemie und Chemische Technologie der Universität Ljubljana, in Zusammenarbeit mit der Universität Cagliari und der National- und Universitätsbibliothek in einem in der Zeitschrift veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel Zeitschrift der American Chemical Society, zeigte, dass es möglich ist, Papier aus der Zeit zwischen 1850 und 2000 sehr genau zu datieren. Die Datierungsunsicherheit beträgt nur zwei Jahre, was mit keiner anderen bekannten Methode möglich ist.

„Historiker, Restauratoren, Kuratoren von Sammlungen, Bibliothekare – für Forscher in vielen Bereichen ist es wichtig, das genaue Alter von Papier zu kennen. Vor allem, wenn es einen historischen oder künstlerischen Wert hat. Es gibt eine ganze Reihe von Beispielen für Bücher, die es gab oder noch gibt.“ gefälscht, sodass wir anhand der Datierung genau feststellen können, ob es echt ist oder aus einer späteren Zeit stammt. Dann gibt es noch die Forensiker, die sich auch oft mit der Papierdatierung verschiedener Dokumente befassen“, antwortete der Forscher auf die Frage, warum es wichtig sei, das zu wissen genaues Alter des Papiers.

Von Wasserzeichen bis zur Radiokarbondatierung

Wenn wir das Alter eines Buches bestimmen, können wir es unter verschiedenen Aspekten betrachten, z. B. Bindungsstil, Handschrift, Textinhalt, verwendete Tinte, Wasserzeichen, sogar Schäden und Korrekturen, listet Dr. Coppola auf. „Jüngste Untersuchungen zu Wasserzeichen haben gezeigt, dass Dating-Bücher eine große Genauigkeit aufweisen. Das Problem ist natürlich, dass sie nicht in allen Zeitungen vorhanden sind. Wasserzeichen wurden vor allem in Europa verwendet, bis zum 20. Jahrhundert häufiger, später seltener. „Gleichzeitig stellte sich heraus, wie Forscher Hunter hervorhob, dass die Formen über einen langen Zeitraum verwendet wurden, sodass die Unsicherheit bis zu 50 Jahre betragen kann“, erklärt er. Papier mit Wasserzeichen wird auch heute noch verwendet. hauptsächlich für Wertpapiere und Geld.

Es gibt auch eine ganze Reihe von Methoden zur Datierung, zu den bekanntesten gehört die Radiokohlenstoffdatierung, diese ist jedoch destruktiv, da ein Stück Papier aus dem Buch herausgerissen werden muss, was für wertvollere Exemplare definitiv nicht wünschenswert ist. Der Vorteil der neuen Methode liegt neben der Genauigkeit auch in ihrer Zerstörungsfreiheit. „Es ist nicht nötig, eine Papierprobe zu entnehmen. Für die Analyse verwenden wir eine Lichtquelle aus einem Spektrometer. Durch die Reflexion von Licht im nahen Infrarot erhalten wir ein Spektrum von Papiereigenschaften. Durch den weiteren Einsatz kontrollierter statistischer Methoden des maschinellen Lernens können wir Vorhersagen treffen.“ die Eigenschaften, die uns interessieren, in unserem Fall ist das das Veröffentlichungsdatum eines einzelnen Buches, was eine gute Annäherung an das Jahr der Papierproduktion darstellt.“

Die Forschung erforderte eine detaillierte Analyse von mehr als hundert Büchern in den National- und Universitätsbibliotheken. „Die Auswahl war zufällig, aber repräsentativ. Bei der Recherche haben wir uns auf den Zeitraum von 1851 bis 2000 konzentriert. Anschließend habe ich von jedem Buch zehn Seiten mit einem Spektrometer analysiert. Die älteren Bücher sind in unterschiedlichem Papier gebunden und wir haben herausgefunden, wie die Variabilität ist.“ des Papiers beeinflusst unsere Methode. Gleichzeitig überprüften wir, wie sich die Zerlegung des Papiers auf unsere Methode auswirkt, also analysierte ich auch verschiedene Teile der Seite. Ich wählte drei Punkte für die Analyse auf jeder Seite aus, nämlich den inneren „Der Rand des Buches, die Mitte der Seite und der äußere Rand.“ erklärt der Forscher.

Die Spektralanalyse zeigte unterschiedliche chemische Eigenschaften des Papiers, die für jedes Jahr typisch waren. Für eine genaue Altersbestimmung reichte dies jedoch nicht aus, sodass der Analyse drei weitere Methoden des maschinellen Lernens hinzugefügt wurden. „Wir haben die gebräuchlichste statistische Methode der partiellen kleinsten Quadrate PLS (Partial Least Squares) verwendet, um das Modell zu erstellen. Diese Methode diente eigentlich eher dem Vergleich, ansonsten haben wir uns auf zwei alternative Methoden verlassen, die in der Kulturerbewissenschaft selten verwendet werden, aber bei der Verarbeitung großer Mengen üblich sind.“ Datenmengen, nämlich zufällige Wälder (Random Forest oder RN) und der k-Nearest-Neighbor-Algorithmus (k-Nearest Neighbors oder kNN). Mit der PLS-Methode haben wir eine Genauigkeit von 12 Jahren ermittelt, mit der RN-Methode von fünf Jahre, mit der kNN-Methode zwei Jahre.“ Mithilfe einer Kombination aus Spektren und drei Algorithmen für maschinelles Lernen ermittelten sie, ob Papiervariabilität und natürliche Zersetzung die Datierungsmodelle beeinflussen und wie. Es zeigte sich, dass die gemeinsamen spektralen Eigenschaften von Zellulose und Proteinstruktur für die Vorhersagen wichtig sind, nicht jedoch die Zersetzung. was keinen wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit der Vorhersagen hat.

DR. Floriana Coppola stammt aus Neapel und forschte im Labor der Fakultät für Chemie. FOTO: Leon Vidic

Verschiedene Papierherstellungstechniken

Weitere Tests wären auf jeden Fall wünschenswert, so der Forscher weiter. „Obwohl die Stichprobe repräsentativ war und sich die Methode als genau erwies, sind wir nicht ganz sicher, dass wir in diesem Zeitraum alle Papiervarianten erfasst haben. Der Zeitraum vom Ende des 19. bis zum Ende des 20. Jahrhunderts ist hinsichtlich der Technologie der Papierherstellung ein ziemlicher Übergang. Zunächst wurde in dieser Zeit Papier aus Baumwollfasern und anderen verwandten Materialien hergestellt, dann wurde aufgrund der Knappheit an Baumwolle zunehmend Holz als Hauptquelle verwendet. In der Neuzeit gibt es jedoch alkalibeständige Papiere, die gebleicht sind. Es gibt also eine große Variabilität. Bei unserer Recherche haben wir uns hauptsächlich mit europäischen Büchern befasst – slowenischen und anderen slawischen, deutschen und italienischen. Die Methode könnte an Büchern aus anderen Bibliotheken sowie an Papieren, die für grafische Arbeiten verwendet werden, getestet und verifiziert werden.“ Er fügt außerdem hinzu, dass auch Papiere aus der untersuchten Zeit einer Zersetzung stärker unterliegen Studieren Sie die Eigenschaften von Papier. Die Bibliotheken verfügen über Bücher aus dem 16. Jahrhundert, die in einem besseren Zustand sind als einige aus dem späten 19. Jahrhundert. Dies ist sowohl auf unterschiedliche Rohstoffe als auch auf Herstellungsmethoden zurückzuführen. Damals wurden verschiedene Herstellungsmethoden getestet und Nicht alle Versuche waren erfolgreich, weshalb ein bestimmtes Papier nach knapp hundert Jahren nicht mehr in gutem Zustand ist.“

Wollte man ein Modell für Bücher aus anderen Epochen entwickeln, müsste man den Grundlagenforschungsprozess wiederholen. „Wir sollten die Spektren neu erfassen und mit statistischen Methoden verarbeiten. „Natürlich benötigen wir für jedes Modell Referenzdaten“, erklärt Dr. Coppola. Forschung unter Beteiligung der National- und Universitätsbibliotheken, des Labors für Denkmalpflege der Universität Ljubljana, der Akademie der bildenden Künste Wien, des Stifts Klosterneuburg und der Prager Nationalbibliothek Die Bibliothek wird im Projekt „Ancient Book Crafts“ oder ABC weiterarbeiten. Sie wird eine Methode zur zerstörungsfreien Datierung mittelalterlicher Manuskripte und Inkunabeln entwickeln. „Um das Potenzial zerstörungsfreier spektroskopischer Methoden zu erforschen, wird das ABC-Projekt untersuchen, validieren und „Wir wollen die Robustheit der Datierung anhand der Infrarotspektroskopie bewerten“, heißt es in der Projektbeschreibung auf der Website des Labors. Das Projekt zielt unter anderem darauf ab, eine umfangreiche Datenbank mit Objekten aus Pergament, Papier, Tinte, Leder und anderen typischen Materialien der vier zu sammeln Ziel der teilnehmenden Kulturerbesammlungen ist die Entwicklung von Kalibrierungs- und Validierungskits sowie die Datierung von Objekten unbekannten Alters.

DR. Floriana Coppola sagt auch, dass es für die von ihr geleitete Forschung einige potenzielle Anwendungen gibt. „Wir haben unser Modell auf die Bestimmung des Alters konzentriert, theoretisch könnten wir meiner Meinung nach auch den Ort bestimmen, aus dem das Papier stammt. Wir wissen, dass es lokale Unterschiede zwischen Papieren aus verschiedenen Regionen gibt. Sicherlich ist das orientalische Papier, mit dem mein Kollege arbeitet, hat zum Beispiel andere Eigenschaften als das europäische.“

DR. Florian Coppola und Prof. Dr. Matija Strlič FOTO: Leon Vidic

Für ihre Studie erhielt die Forscherin zwei Jahre lang Fördergelder aus dem Marie-Skłodowska-Curie-Europafonds. Floriana Coppola kommt aus Neapel. Nach ihrer Masterarbeit über Umweltverträglichkeitsprüfung und Bibliotheksmanagement widmete sie ihre Forschung der Wissenschaft des Kulturerbes. Für ihre Doktorarbeit untersuchte sie unter anderem die Zerlegung historischer und zeitgenössischer Papiere mithilfe destruktiver und nicht-destruktiver Analysetechniken. Sie promovierte 2019 an der Universität Bologna. „Während meiner Doktorarbeit habe ich auch einen Austausch an das University College in London gemacht, wo ich Prof. Matije Strlič kennengelernt habe, der heute das Laboratory for Heritage Science leitet“, sagt der Gesprächspartner. Also setzte sie ihre Forschungsreise in Ljubljana fort. „Ich bin seit anderthalb Jahren hier, das Umfeld ist sehr anregend, die Forschung ist erstklassig und ich würde auf jeden Fall gerne an neuen Projekten in unserer Gruppe arbeiten.“