纳米材料用于壁画保护：我靠科学修文物

▲团队学生在模拟壁画上尝试新材料。

李宣华老师(中)带领学生观察新材料。

■高雅丽，本报见习记者

谈到文物保护，许多人认为这是社会科学专家的专长。然而，在西北工业大学纳米能源材料研究中心，却有一批渴望保护壁画的材料科学家。他们专注于“材料科学和考古研究”的新研究方向，研究新材料和新技术在文物保护中的作用。

那么，当材料应用于壁画保护时，可以解决哪些问题呢？最近，高级功能材料中心发表了一篇论文，详细介绍了石墨烯增强纳米材料在壁画保护中的研究进展。

壁画保护遇到物质危机时

古代收集的壁画是人类社会发展的宝贵财富。壁画主要包括建筑壁画、石窟壁画和墓室壁画。墓室壁画的时间和范围分布广泛。墓室壁画已被发现，从石庙遗址壁画到4200年前的唐、宋、元、明、清时期。尤其是唐代在数量和质量上都受到了极大的关注。

然而，人类不得不面对的一个现实问题是，有大量带有许多疾病的墓室壁画急需修复。

西北工业大学的李宣华教授告诉《中国科学报》的记者:“壁画结构从外向内主要包括颜料层、石灰层、草泥层和砖墙层。石灰层的主要成分是碳酸钙。随着时间的推移，石灰层很容易失效，从而对壁画表面造成损害，因此需要有效的保护。”

目前，壁画保护材料主要分为有机材料和无机材料。然而，有机保护材料与壁画本身的相容性差，长期使用容易老化变脆变黄，导致机械降解。与此同时，由于形成的薄膜不透气，壁画最终会膨胀和粉碎，从而对壁画造成不可弥补和致命的损害。

然而，类似于氢氧化钙的无机防护材料具有良好的相容性和抗老化性。氢氧化钙涂在壁画表面后，会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，并与石灰层结合，从而提高石灰层的强度，起到保护作用李宣华说道。

2000年，意大利学者提出使用纳米氢氧化钙来保护壁画。由于纳米尺寸效应，氢氧化钙的化学和物理性质将发生变化，表面活性和稳定性将大大提高，保护效果将显著提高。因此，无机纳米材料已经成为壁画保护材料的一个新的研究方向。

这个想法很难付诸实施。李宣华告诉记者，国内外学者经过近20年的努力，采用水溶液法、醇溶液法、微乳液法和金属钙法合成纳米氢氧化钙，但到目前为止，合成的氢氧化钙仍存在尺寸大、渗透性差、稳定性差、纯化困难、操作复杂、成本高等缺点。

“氢氧化钙碳化慢、增强强度低的问题没有得到有效解决。根本原因是氢氧化钙成核和生长的动力学尚未阐明，难以在可控制备纳米氢氧化钙等关键技术上取得有效突破。”李宣华说道。

石墨烯量子点新用途的发现

围绕这个困扰科学家近20年的问题，研究小组提出了一个新想法——引入石墨烯量子点。他们利用石墨烯量子点表面活性剂的有限畴效应来有效控制氢氧化钙的成核和生长动力学速率，从而实现氢氧化钙纳米材料的“可控合成”。

李宣华表示，纳米材料的合成方法主要有气相法、固相法(如研磨法)和液相法。与其他两种方法相比，液相法具有明显的优势。“这种方法操作简单，合成工艺简单，成本低廉，特别是水溶液具有环保的特点。更重要的是，壁画保护材料通常需要分散到溶液中，通过喷涂、刷涂和注射的方式应用于壁画表面，这也有利于大规模壁画保护的实际应用，大大提高了使用效率。”

因此，研究人员通过水溶液法巧妙地合成了“氢氧化钙/石墨烯量子点”杂化纳米材料。研究结果表明，该材料的粒径约为80 nm，尺寸均匀，对壁画颜料有很强的附着力和抗紫外线能力。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稳定的“方解石”相，这对壁画的加固非常重要。

让中国考古学走向世界

陕西省文物资源丰富。2014年，西北工业大学纳米能源材料研究中心首席科学家魏炳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”的新研究方向。

李宣华承认，受西方国家文物保护理念和技术的影响，我国大多数文物保护理念和材料技术都借鉴了西方国家的经验。因此，如何充分发挥我国科学技术学者的优势，与传统文物保护有机结合，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难题

在4年多的科研工作中，纳米能源材料研究中心、陕西考古研究所、陕西历史博物馆等单位“强强联合”，在壁画保护材料方面取得新突破，申请国家发明专利12项，授权2项。研发材料已成功应用于三座著名唐墓壁画的加固，效果良好。

李宣华透露，在后续工作中，课题组将继续开发性能更好的壁画保护材料，进一步扩大这些材料的应用范围，希望更多需要修复的古代壁画能够得到有效保护，最终形成良好的样板。此外，他们还将探索这些材料在保护其他石器、纸制品、骨制品甚至整个文化遗产方面的可能性。

“我们团队的梦想是将当前的尖端科学研究与古代文物保护联系起来，使文物保护科学、严谨、有趣，努力扭转目前重人文轻科学、被西方国家牵着鼻子走的局面。”李宣华说道。

中国科学报(第六版，2018-10-15)