בשנת 1949, חשפו ארכיאולוגים במערה ליד קומראן, שבה התגלו מגילות מדבר יהודה הראשונות, מספר בתי תפילין העשויים מעור. בהמשך, התגלו בתי תפילין נוספים במערות אחרות הסמוכות לקומראן - במערה בוואדי מורבעאת, ובמערה בנחל צאלים. ממצאים אלו מתוארכים לאותו פרק זמן של המגילות הגנוזות, סביב סוף ימי הבית השני - לפני כ־2,000 שנה. תנאי האקלים המדברי אפשרו לממצאים אלו לשרוד במשך אלפי שנים, עד לגילויים. כיום, בתי התפילין הנדירים נשמרים במחסני יחידת מגילות מדבר יהודה של רשות העתיקות בירושלים, המדמים את תנאי האקלים במערות.

"מדובר בתגלית חשובה מאוד", מסביר אדלר. "זו הפעם הראשונה שהתפילין נבדקו מדעית כדי לבחון את הצבע שלהם. בחלק מבתי התפילין הקדומים, רואים בעין שלעור יש צבע חום טבעי. אולם באחרים, צבע העור הכהה מאוד נחשב בעבר כתוצאה של צביעה מלאכותית, שנעשתה כדי לקיים את ההלכה שיש לצבוע את העור של בתי התפילין בשחור. עכשיו, מתברר שהיכן שהעור נראה כהה, מדובר בתוצאה של תהליך טבעי ולא בצביעה מכוונת".

לדברי כהן עופרי, מנהלת מעבדת השימור ביחידת מגילות מדבר יהודה של רשות העתיקות, "בעת העתיקה, היו שתי שיטות עיקריות לצביעת עור בצבע שחור. השיטה הראשונה עשתה שימוש בחומרים מבוססי פחמן—פיח או פחמים, כדי להעניק צבע שחור לעור. השיטה השנייה התבססה על תגובה כימית בין טָנִין - חומר אורגני מורכב המצוי בהרבה צמחים, לבין תחמוצות ברזל. בבדיקות שלנו, שללנו את האפשרות שבתי התפילין נצבעו בשחור בשיטות אלו". החוקרים השתמשו במערכת המולטי־ספקטרלית של יחידת מגילות מדבר יהודה ברשות העתיקות כדי לחפש סימנים לשימוש בצבע פחמי בבתי תפילין שבידי היחידה. בנוסף, הם לקחו דגימות מפיסות עור שנפרדו מאחד מבתי התפילין, וערכו עליהן סדרה של בדיקות מדעיות לאפיון כימי של העור (Raman, FTIR-ATR, ו־SEM/EDX). הבדיקות בוצעו במעבדה האנליטית ברשות העתיקות בירושלים, ובמחלקה לתשתיות למחקר כימי במכון ויצמן ברחובות.

"בפרגמנטים הכהים שבדקנו", אומרת מאור מהמעבדה האנליטית ברשות העתיקות, "נראה שלא מדובר בצביעה מכוונת, אלא בתוצאה של התכלות טבעית של העור. דליפה מועטה של מים לתוך המערות במשך 2,000 השנים שבהן הממצאים שכבו שם, יכלה להאיץ את תהליך ההתכלות של העור. בעבר, גילינו שגם חלק ממגילות מדבר יהודה עברו תהליך דומה, ולצערנו - הוא גרם להשחרת הקלף". "סביר להניח שבהתחלה, לא הייתה משמעות הלכתית לצבע של התפילין ורק בתקופה מאוחרת יותר, קבעו חכמים שיש לצבוע את התפילין שחור" מסביר אדלר. "אולם גם אז, נחלקו פוסקי ההלכה במשך הדורות אם החיוב לצבוע את בתי התפילין שחור הוא מעיקר הדין - או רק לנוי".