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引入石墨烯量子点让古墓壁画更“长寿”科技日报

发表于 2018-11-22 10:35:23

价值连城的古代馆藏壁画正受到日益严重的损坏。而由于具有极好的兼容性,无机纳米材料(如纳米氢氧化钙)作为一种前景良好的壁画保护材料受到广泛关注。但到目前为止,其合成方法仍然成本高,操作复杂,而且通常使用有机溶剂。

“研究人员通过合成氢氧化钙/石墨烯量子点杂化纳米材料,提出了全新的壁画保护概念。研究结果显示,杂化纳米材料的颗粒小、尺寸均匀,具有强粘附性,使壁画加固更可行。”魏秉庆说,此外,杂化纳米材料还具有抗紫外线能力,比无机材料具有更好的保护效果。

可更好更长时间延长壁画寿命

“壁画的结构由外而内主要包括颜料层、白灰层、草泥层、砖墙层,白灰层的主要成分是碳酸钙。”魏秉庆介绍,而白灰层容易失效导致壁画表层受损。

魏秉庆告诉科技日报记者,壁画保护材料主要分为有机和无机两大类。有机保护材料与壁画本体兼容性差、长时间使用容易老化、变脆变黄,导致机械性下降。同时,由于形成的膜不透气,壁画最终会膨胀、粉化,从而造成壁画不可修复。

而氢氧化钙等无机保护材料具有兼容性好、耐老化等优点。在施加到壁画表面后,氢氧化钙会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙从而与白灰层融为一体,提高白灰层的强度,起到保护作用。通过进一步将氢氧化钙纳米化后,其表面活性及稳定性大幅增加,可以更好更长时间延长壁画的寿命。

水溶液方法巧妙合成杂化纳米材料

自2000年意大利学者提出纳米氢氧化钙保护壁画以来,中外学者用了近20年的努力,尝试了水溶液法、醇溶液法、微乳液法和钙金属法等方法来合成纳米氢氧化钙。“然而到目前为止,合成的氢氧化钙仍旧存在着尺寸大、渗透性差等不足。”团队成员朱金萌对记者说,此外,碳化慢、加固强度低等问题仍未得到有效解决。

围绕这一问题,魏秉庆团队经过长时间系统研究,创造性引入石墨烯量子点。

“利用石墨烯量子点表面活性剂的限域效应,有效调控了氢氧化钙的成核生长动力学速率,从而实现了氢氧化钙纳米材料的可控合成,突破了困扰研究者们多年的瓶颈问题。”魏秉庆说。

新研究采用简便经济的水溶液方法巧妙地合成“氢氧化钙/石墨烯量子点”杂化纳米材料,提出了全新的壁画保护概念。研究结果显示,该材料颗粒小(约80纳米)、尺寸均匀,且对壁画颜料具有强粘附性。由于石墨烯量子点的增强作用,氢氧化钙纳米材料完全碳化成一种稳定的“方解石”相,该相对于壁画加固十分重要。

文物保护亟须与新材料研发紧密结合

壁画主要包括建筑壁画、石窟壁画和墓葬壁画。新纳米材料主要应用到墓葬壁画。墓葬壁画从时间和范围分布都很广泛,从4200年前的石峁遗址壁画到唐、宋、元、明、清历代均有发现墓葬壁画,无论数量和质量上都受到人们的极大关注。

另外唐墓壁画展示了当时社会生活的方方面面,如服饰装扮、舞蹈乐器、仪仗礼仪、传统文化等,壁画保护研究具有极为重要的意义。

一直以来,我国都将文物保护归类于社会科学领域,注重人文研究而忽视了新材料与新技术在文物保护中的应用研究。

同时,受西方国家文物保护思想和技术的影响,我国的文物保护理念和材料技术大都借鉴西方国家的经验。因此,如何发挥我国理工科学者的优势、与传统文物保护有机结合,并且形成具有中国特色的文物保护理念是材料科学与文物保护研究过程中遇到的困难。

西北工业大学充分利用陕西省文物大省的优势,与陕西省考古研究院等文保单位强强联合,创新性地将当前的新型材料技术与传统保护经验相结合。魏秉庆表示,后续团队会继续研发性能更加优异的壁画保护材料,并进一步推广这些材料的应用范围,让更多亟待修复的古代壁画获得有效保护。

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