石墨烯量子點(diǎn)的新用途

近日，《先進(jìn)功能材料》刊發(fā)了該中心的論文，詳細(xì)闡述了石墨烯增強(qiáng)納米材料對(duì)壁畫保護(hù)方面的研究進(jìn)展。

提起文物保護(hù)，不少人都認(rèn)為這是社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业奶亻L(zhǎng)。但是，在西北工業(yè)大學(xué)納米能源材料研究中心，卻有一群熱心于壁畫保護(hù)的材料科學(xué)家，他們專攻“材料科學(xué)與考古研究”這一新的研究方向，研究新材料與新技術(shù)在文物保護(hù)中的作用。

那么，當(dāng)材料應(yīng)用于壁畫保護(hù)，究竟能解決什么問題？近日，《先進(jìn)功能材料》刊發(fā)了該中心的論文，詳細(xì)闡述了石墨烯增強(qiáng)納米材料對(duì)壁畫保護(hù)方面的研究進(jìn)展。

當(dāng)壁畫保護(hù)遭遇材料危機(jī)

古代館藏壁畫是人類社會(huì)發(fā)展的寶貴財(cái)富，壁畫主要包括建筑壁畫、石窟壁畫和墓葬壁畫。墓葬壁畫的時(shí)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(fā)現(xiàn)墓葬壁畫，尤其唐朝，無論數(shù)量和質(zhì)量上都受到人們的極大關(guān)注。

但是人類不得不面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題是，目前有大量墓葬壁畫出現(xiàn)很多病害，亟須修復(fù)。

西北工業(yè)大學(xué)教授李炫華告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“壁畫的結(jié)構(gòu)由外而內(nèi)主要包括顏料層、白灰層、草泥層、磚墻層，白灰層的主要組成成分是碳酸鈣。隨著時(shí)間流逝，白灰層容易失效，從而導(dǎo)致壁畫表層受損，因此需要有效保護(hù)。”

目前壁畫保護(hù)材料主要分為有機(jī)和無機(jī)材料兩大類，但是有機(jī)保護(hù)材料與壁畫本體兼容性差，長(zhǎng)時(shí)間使用容易老化、變脆變黃，導(dǎo)致機(jī)械性下降。同時(shí)，由于形成的膜不透氣，壁畫最終會(huì)膨脹、粉化，從而對(duì)壁畫造成不可修復(fù)的致命傷害。

而類似于氫氧化鈣的無機(jī)保護(hù)材料，具有兼容性好、耐老化的優(yōu)點(diǎn)?！霸谑┘拥奖诋嫳砻婧螅瑲溲趸}會(huì)與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈣并與白灰層融為一體，從而提高白灰層的強(qiáng)度，起到保護(hù)作用?！崩铎湃A說。

2000年，意大利學(xué)者提出利用納米氫氧化鈣保護(hù)壁畫。由于納米尺寸效應(yīng)，氫氧化鈣的化學(xué)、物理特性會(huì)發(fā)生改變，表面活性及穩(wěn)定性大幅增加，保護(hù)效果會(huì)獲得顯著提升。因此，無機(jī)納米材料成為了新的壁畫保護(hù)材料研究方向。

這個(gè)想法實(shí)踐起來卻是困難重重。李炫華告訴記者，中外學(xué)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，但是截至目前合成的氫氧化鈣仍存在著尺寸大、滲透性差、穩(wěn)定性差、難以純化、操作復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

“氫氧化鈣的碳化慢、加固強(qiáng)度低等問題仍未得到有效解決，根本原因是還沒有厘清氫氧化鈣成核生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)納米氫氧化鈣可控制備等關(guān)鍵技術(shù)的有效突破。”李炫華說。

發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)新用途

圍繞這個(gè)困擾了科學(xué)家近20年的問題，課題組提出了一個(gè)新思路——引入石墨烯量子點(diǎn)。他們利用石墨烯量子點(diǎn)表面活性劑的限域效應(yīng)，有效調(diào)控了氫氧化鈣的成核生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)速率，讓氫氧化鈣納米材料“可控合成”。

李炫華表示，納米材料的合成方法主要有氣相法、固相法（如磨礦）和液相法。相比于其他兩種方法，液相法具有明顯優(yōu)勢(shì)?！斑@個(gè)方法操作方便，合成工藝簡(jiǎn)單、成本低，特別是水溶液具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。更重要的是，壁畫保護(hù)材料通常需要分散到溶液中，利用噴涂、刷涂、注射的方式施加到壁畫表面，這也有利于大規(guī)模壁畫保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用，極大提高使用效率?！?/span>

因此，科研人員用水溶液方法巧妙地合成了“氫氧化鈣/石墨烯量子點(diǎn)”雜化納米材料。研究結(jié)果顯示，該材料顆粒約為80納米，尺寸均勻，并且對(duì)壁畫顏料具有強(qiáng)的黏附性，具備抗紫外線能力。更重要的是，由于石墨烯量子點(diǎn)的增強(qiáng)作用，氫氧化鈣納米材料完全碳化成一種穩(wěn)定的“方解石”相，對(duì)于壁畫加固十分重要。

讓中國考古科學(xué)走向世界

陜西省擁有豐富的文物資源，2014年，西北工業(yè)大學(xué)納米能源材料研究中心首席科學(xué)家魏秉慶教授發(fā)揮團(tuán)隊(duì)在納米材料研究方面的優(yōu)勢(shì)，提出了“材料科學(xué)與文物保護(hù)研究”這一新的研究方向。

李炫華坦承，受西方國家文物保護(hù)思想和技術(shù)的影響，我國的文物保護(hù)理念和材料技術(shù)大都借鑒西方國家的經(jīng)驗(yàn)。“因此，如何發(fā)揮我國理工科學(xué)者的優(yōu)勢(shì)、與傳統(tǒng)文物保護(hù)有機(jī)結(jié)合，并且形成具有中國特色的文物保護(hù)理念是材料科學(xué)與文物保護(hù)研究過程中遇到的困難?！?/span>

在4年多科研工作中，納米能源材料研究中心與陜西省考古研究院、陜西歷史博物館等單位“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，取得了壁畫保護(hù)材料新突破，申請(qǐng)國家發(fā)明專利12項(xiàng)，授權(quán)2項(xiàng)，并成功將研發(fā)材料運(yùn)用到3處著名唐墓壁畫的加固中，取得了良好效果。

李炫華透露，在后續(xù)工作中，課題組還會(huì)繼續(xù)研發(fā)性能更加優(yōu)異的壁畫保護(hù)材料，并進(jìn)一步擴(kuò)大這些材料的應(yīng)用范圍，希望有更多亟待修復(fù)的古代壁畫獲得有效保護(hù)，最終形成一個(gè)良好的示范。除此之外，他們還會(huì)探討這些材料在其他石質(zhì)文物、紙質(zhì)文物、骨質(zhì)文物乃至整個(gè)文化遺產(chǎn)保護(hù)中的可能性。

“我們團(tuán)隊(duì)有一個(gè)夢(mèng)想，希望能將目前的前沿科學(xué)研究和古老的文物保護(hù)聯(lián)系在一起，使文物保護(hù)變得科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)而有趣，力爭(zhēng)扭轉(zhuǎn)當(dāng)前文物保護(hù)存在的重人文輕科學(xué)和被西方國家牽著鼻子走的局面?！崩铎湃A說。