这个困扰科学家近 20 年的难题,被石墨烯破解了

2018-10-19 12:04:12 52

提起文物保护,不少人都认为这是社会科学领域专家的特长。

但是,在西北工业大学纳米能源材料研究中心,却有一群热心于壁画保护的材料科学家,他们专攻 " 材料科学与考古研究 " 这一新的研究方向,研究新材料与新技术在文物保护中的作用。



▲团队学生在模拟壁画上尝试新材料。


那么,当材料应用于壁画保护,究竟能解决什么问题?近日,《先进功能材料》刊发了该中心的论文,详细阐述了石墨烯增强纳米材料对壁画保护方面的研究进展。

当壁画保护遭遇材料危机

古代馆藏壁画是人类社会发展的宝贵财富,壁画主要包括建筑壁画、石窟壁画和墓葬壁画。

墓葬壁画的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,尤其唐朝,无论数量和质量上都受到人们的极大关注。

但是人类不得不面临的一个现实问题是,目前有大量墓葬壁画出现很多病害,亟须修复。

西北工业大学教授李炫华告诉《中国科学报》记者:" 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,白灰层的主要组成成分是碳酸钙。随着时间流逝,白灰层容易失效,从而导致壁画表层受损,因此需要有效保护。"

目前壁画保护材料主要分为有机和无机材料两大类,但是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,从而对壁画造成不可修复的致命伤害。

而类似于氢氧化钙的无机保护材料,具有兼容性好、耐老化的优点。" 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,生成碳酸钙并与白灰层融为一体,从而提高白灰层的强度,起到保护作用。" 李炫华说。

2000 年,意大利学者提出利用纳米氢氧化钙保护壁画。由于纳米尺寸效应,氢氧化钙的化学、物理特性会发生改变,表面活性及稳定性大幅增加,保护效果会获得显著提升。

因此,无机纳米材料成为了新的壁画保护材料研究方向。

这个想法实践起来却是困难重重。

李炫华告诉记者,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,但是截至目前合成的氢氧化钙仍存在着尺寸大、渗透性差、稳定性差、难以纯化、操作复杂、成本高等缺点。

李炫华老师(中)带领学生观察新材料。

" 氢氧化钙的碳化慢、加固强度低等问题仍未得到有效解决,根本原因是还没有厘清氢氧化钙成核生长动力学规律,进而难以实现纳米氢氧化钙可控制备等关键技术的有效突破。" 李炫华说。

发现石墨烯量子点新用途

围绕这个困扰了科学家近 20 年的问题,课题组提出了一个新思路――引入石墨烯量子点。

他们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,让氢氧化钙纳米材料 " 可控合成 "。

李炫华表示,纳米材料的合成方法主要有气相法、固相法(如磨矿)和液相法。

相比于其他两种方法,液相法具有明显优势。" 这个方法操作方便,合成工艺简单、成本低,特别是水溶液具有绿色环保的特点。

更重要的是,壁画保护材料通常需要分散到溶液中,利用喷涂、刷涂、注射的方式施加到壁画表面,这也有利于大规模壁画保护的实际应用,极大提高使用效率。"

因此,科研人员用水溶液方法巧妙地合成了 " 氢氧化钙 / 石墨烯量子点 " 杂化纳米材料。

研究结果显示,该材料颗粒约为 80 纳米,尺寸均匀,并且对壁画颜料具有强的黏附性,具备抗紫外线能力。

更重要的是,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,对于壁画加固十分重要。

让中国考古科学走向世界

陕西省拥有丰富的文物资源,2014 年,西北工业大学纳米能源材料研究中心首席科学家魏秉庆教授发挥团队在纳米材料研究方面的优势,提出了 " 材料科学与文物保护研究 " 这一新的研究方向。

李炫华坦承,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。"

在 4 年多科研工作中,纳米能源材料研究中心与陕西省考古研究院、陕西历史博物馆等单位 " 强强联合 ",取得了壁画保护材料新突破,申请国家发明专利 12 项,授权 2 项,并成功将研发材料运用到 3 处著名唐墓壁画的加固中,取得了良好效果。

李炫华透露,在后续工作中,课题组还会继续研发性能更加优异的壁画保护材料,并进一步扩大这些材料的应用范围,希望有更多亟待修复的古代壁画获得有效保护,最终形成一个良好的示范。

除此之外,他们还会探讨这些材料在其他石质文物、纸质文物、骨质文物乃至整个文化遗产保护中的可能性。

" 我们团队有一个梦想,希望能将目前的前沿科学研究和古老的文物保护联系在一起,使文物保护变得科学、严谨而有趣,力争扭转当前文物保护存在的重人文轻科学和被西方国家牵着鼻子走的局面。" 李炫华说。


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