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引入石墨烯量子點,讓古墓壁畫更“長壽”

2018/11/22 13:19:05 1366
來源:科技日報 新聞記者:馬愛平 責任編輯:李依環、熊旭



價值連城的古代館藏壁畫正受到日益嚴重的損壞。而由于具有極好的兼容性,無機納米材料(如納米氫氧化鈣)作為一種前景良好的壁畫保護材料受到廣泛關注。但到目前為止,其合成方法仍然成本高,操作復雜,而且通常使用有機溶劑。

西北工業大學納米能源材料研究中心教授魏秉慶團隊近日在《先進功能材料》上發表論文稱,他們利用簡便經濟的水溶液,巧妙地合成了氫氧化鈣/石墨烯量子點雜化納米材料,并將其成功應用于3處著名唐墓壁畫的保護中,取得了良好的效果。

“研究人員通過合成氫氧化鈣/石墨烯量子點雜化納米材料,提出了全新的壁畫保護概念。研究結果顯示,雜化納米材料的顆粒小、尺寸均勻,具有強粘附性,使壁畫加固更可行。”魏秉慶說,此外,雜化納米材料還具有抗紫外線能力,比無機材料具有更好的保護效果。

可更好更長時間延長壁畫壽命

“壁畫的結構由外而內主要包括顏料層、白灰層、草泥層、磚墻層,白灰層的主要成分是碳酸鈣。”魏秉慶介紹,而白灰層容易失效導致壁畫表層受損。

魏秉慶告訴科技日報記者,壁畫保護材料主要分為有機和無機兩大類。有機保護材料與壁畫本體兼容性差、長時間使用容易老化、變脆變黃,導致機械性下降。同時,由于形成的膜不透氣,壁畫最終會膨脹、粉化,從而造成壁畫不可修復。

而氫氧化鈣等無機保護材料具有兼容性好、耐老化等優點。在施加到壁畫表面后,氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣從而與白灰層融為一體,提高白灰層的強度,起到保護作用。通過進一步將氫氧化鈣納米化后,其表面活性及穩定性大幅增加,可以更好更長時間延長壁畫的壽命。

水溶液方法巧妙合成雜化納米材料

自2000年意大利學者提出納米氫氧化鈣保護壁畫以來,中外學者用了近20年的努力,嘗試了水溶液法、醇溶液法、微乳液法和鈣金屬法等方法來合成納米氫氧化鈣。“然而到目前為止,合成的氫氧化鈣仍舊存在著尺寸大、滲透性差等不足。”團隊成員朱金萌對記者說,此外,碳化慢、加固強度低等問題仍未得到有效解決。

圍繞這一問題,魏秉慶團隊經過長時間系統研究,創造性引入石墨烯量子點。

“利用石墨烯量子點表面活性劑的限域效應,有效調控了氫氧化鈣的成核生長動力學速率,從而實現了氫氧化鈣納米材料的可控合成,突破了困擾研究者們多年的瓶頸問題。”魏秉慶說。

新研究采用簡便經濟的水溶液方法巧妙地合成“氫氧化鈣/石墨烯量子點”雜化納米材料,提出了全新的壁畫保護概念。研究結果顯示,該材料顆粒小(約80納米)、尺寸均勻,且對壁畫顏料具有強粘附性。由于石墨烯量子點的增強作用,氫氧化鈣納米材料完全碳化成一種穩定的“方解石”相,該相對于壁畫加固十分重要。

文物保護亟須與新材料研發緊密結合

壁畫主要包括建筑壁畫、石窟壁畫和墓葬壁畫。新納米材料主要應用到墓葬壁畫。墓葬壁畫從時間和范圍分布都很廣泛,從4200年前的石峁遺址壁畫到唐、宋、元、明、清歷代均有發現墓葬壁畫,無論數量和質量上都受到人們的極大關注。

另外唐墓壁畫展示了當時社會生活的方方面面,如服飾裝扮、舞蹈樂器、儀仗禮儀、傳統文化等,壁畫保護研究具有極為重要的意義。

一直以來,我國都將文物保護歸類于社會科學領域,注重人文研究而忽視了新材料與新技術在文物保護中的應用研究。

同時,受西方國家文物保護思想和技術的影響,我國的文物保護理念和材料技術大都借鑒西方國家的經驗。因此,如何發揮我國理工科學者的優勢、與傳統文物保護有機結合,并且形成具有中國特色的文物保護理念是材料科學與文物保護研究過程中遇到的困難。

西北工業大學充分利用陜西省文物大省的優勢,與陜西省考古研究院等文保單位強強聯合,創新性地將當前的新型材料技術與傳統保護經驗相結合。魏秉慶表示,后續團隊會繼續研發性能更加優異的壁畫保護材料,并進一步推廣這些材料的應用范圍,讓更多亟待修復的古代壁畫獲得有效保護。



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