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Die Geigen von Antonio Stradivari aus dem 17. und 18. Jahrhundert sind aufgrund ihres einzigartigen Klangs weltberühmt: Für viele gilt er als der beste Geigenbauer der Geschichte, und seine Saiteninstrumente werden teilweise für viele Millionen Schweizer Franken gehandelt. Ebenso angesehen sind die Geigen von Guarneri del Gesù, der wie Stradivari im italienischen Cremona ansässig war.
Für die Wissenschaftswelt war es lange Zeit ein Rätsel, wie die alten Meister solch aussergewöhnlich lebhaft klingende Instrumente hinbekamen. Ist ihr Geheimnis die Bauart? Verwendeten die Cremoneser ein Holz besonderer Qualität, dessen Zusammensetzung aufgrund der veränderten klimatischen Bedingungen nicht reproduzierbar ist? Oder sind es sogar holzzersetzende Schimmelpilze, die dafür sorgen, dass selbst ein sehr leise gespielter Ton in einer grossen Konzerthalle weithin hörbar ist?
Die Chemie macht die Musik
Eine Studie unter Leitung von Hwan-Ching Tai an der National Taiwan University in Taipeh bestätigt nun eine andere Theorie: Die alten Meister behandelten das Geigenholz mit Chemikalien, welche die Struktur des Holzes nachhaltig veränderten. Das zeigten Untersuchungen zur chemischen Zusammensetzung des Geigenholzes am PSI.
Da die wertvollen Originalgeigen nicht für Messungen verfügbar sind, sammelten Forschende um Co-Autor und Geigenbauer Joseph Nagyvary, emeritierter Professor an der Texas A&M University in den USA, in mühevoller Arbeit im Laufe der letzten drei Jahrzehnte Hobelspäne und Holzsplitter, die bei Reparaturen der Instrumente anfielen. Diese wurden jetzt an der Phoenix-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS vermessen und mit modernen Geigenholzproben verglichen.
«Wir haben uns den Gehalt und die Verteilung von leichten Elementen in den Holzproben mit der Methode der Röntgenspektroskopie angesehen», erzählt PSI-Forscher Thomas Huthwelker vom Labor für Femtochemie. «Dabei fanden wir unter anderem, dass in allen Proben der Guarneri-Geigen relativ hohe Mengen Aluminium gleichmässig im Holz verteilt waren.» Auch mehrere Proben von Stradivari-Geigen enthielten erhöhte Mengen Aluminium.
Nach Ansicht der Forschenden spricht diese gleichmässige Verteilung dafür, dass das Holz behandelt wurde. Plausibel ist etwa, dass das Material in stark konzentrierte aluminiumhaltige Lösungen eingelegt wurde. Infrage kommt dafür Alaun, ein Kalium-Aluminium-Sulfat. Die Aluminiumatome vernetzten die einzelnen Holzfasermoleküle miteinander – das stabilisierte das Holz von innen heraus. «Natürlich können wir nicht wissen, was genau damals geschehen ist», sagt Huthwelker. «Aber eine derartige Behandlung wäre eine gute Erklärung. Es passt alles zusammen.»
Meister der Manipulation
Neben der Röntgenspektroskopie bedienten sich die Forschenden noch anderer analytischer Methoden, um den Geheimnissen der Cremona-Geigen auf den Grund zu gehen. Bei allen Messungen zeigte sich laut Studie eine «unnatürliche elementare Zusammensetzung» des Holzes.
Bei den Proben der Stradivari-Geigen fanden sich hohe Mengen Natrium, Chlor und Kalium, was auf eine Behandlung mit Pottasche oder gewöhnlichem Kochsalz hindeutet. Auch Pottasche bricht die Polymermoleküle des Holzes teilweise auf und führt zu einer bleibenden Strukturveränderung. Kochsalz wiederum verhindert die Austrocknung des Holzes. Bei den Guarneri-Geigenproben wiesen die Forschenden auch Kalzium nach, was für eine Behandlung mit Kalk sprechen würde. Genau wie Pottasche hilft es dabei, Harzreste, Zucker, Öle und andere unliebsame Verunreinigungen im Holz zu entfernen.
«Unsere Daten lassen vermuten, dass die alten Meister werkstofftechnische Experimente durchführten, um Resonanzkörper mit einzigartigen Eigenschaften zu erschaffen», schreiben die Forschenden. Die alten Geigenbaumeister wussten unbehandeltes Holz offensichtlich wenig zu schätzen – ganz im Gegensatz zu vielen modernen Geigenbauern.