这个困扰科学家近20年的难题,被石墨烯破解了

2018-10-15 09:51 中国科学报

  来源:中国科学报

  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。

李炫华老师(中)带领学生观察新材料。

  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。

  “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。

责编:陶文冬
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