這個困擾科學家近20年的難題，被石墨烯破解了

　　來源：中國科學報

　　提起文物保護，不少人都認為這是社會科學領域專家的特長。

　　但是，在西北工業大學納米能源材料研究中心，卻有一群熱心於壁畫保護的材料科學家，他們專攻「材料科學與考古研究」這一新的研究方向，研究新材料與新技術在文物保護中的作用。

▲團隊學生在模擬壁畫上嘗試新材料。

李炫華老師（中）帶領學生觀察新材料。

　　那麼，當材料應用於壁畫保護，究竟能解決什麼問題？近日，《先進功能材料》刊發了該中心的論文，詳細闡述了石墨烯增強納米材料對壁畫保護方面的研究進展。

　　當壁畫保護遭遇材料危機

　　古代館藏壁畫是人類社會發展的寶貴財富，壁畫主要包括建築壁畫、石窟壁畫和墓葬壁畫。

　　墓葬壁畫的時間和範圍分布都很廣泛，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，尤其唐朝，無論數量和質量上都受到人們的極大關注。

　　但是人類不得不面臨的一個現實問題是，目前有大量墓葬壁畫出現很多病害，亟須修復。

　　西北工業大學教授李炫華告訴《中國科學報》記者：「壁畫的結構由外而內主要包括顏料層、白灰層、草泥層、磚牆層，白灰層的主要組成成分是碳酸鈣。隨著時間流逝，白灰層容易失效，從而導致壁畫表層受損，因此需要有效保護。」

　　目前壁畫保護材料主要分為有機和無機材料兩大類，但是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，由於形成的膜不透氣，壁畫最終會膨脹、粉化，從而對壁畫造成不可修復的致命傷害。

　　而類似於氫氧化鈣的無機保護材料，具有兼容性好、耐老化的優點。「在施加到壁畫表面後，氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳反應，生成碳酸鈣並與白灰層融為一體，從而提高白灰層的強度，起到保護作用。」李炫華說。

　　2000年，義大利學者提出利用納米氫氧化鈣保護壁畫。由於納米尺寸效應，氫氧化鈣的化學、物理特性會發生改變，表面活性及穩定性大幅增加，保護效果會獲得顯著提升。

　　因此，無機納米材料成為了新的壁畫保護材料研究方向。

　　這個想法實踐起來卻是困難重重。

　　李炫華告訴記者，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，但是截至目前合成的氫氧化鈣仍存在著尺寸大、滲透性差、穩定性差、難以純化、操作複雜、成本高等缺點。

　　「氫氧化鈣的碳化慢、加固強度低等問題仍未得到有效解決，根本原因是還沒有釐清氫氧化鈣成核生長動力學規律，進而難以實現納米氫氧化鈣可控制備等關鍵技術的有效突破。」李炫華說。

　　發現石墨烯量子點新用途

　　圍繞這個困擾了科學家近20年的問題，課題組提出了一個新思路——引入石墨烯量子點。

　　他們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，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。

　　相比於其他兩種方法，液相法具有明顯優勢。「這個方法操作方便，合成工藝簡單、成本低，特別是水溶液具有綠色環保的特點。

　　更重要的是，壁畫保護材料通常需要分散到溶液中，利用噴塗、刷塗、注射的方式施加到壁畫表面，這也有利於大規模壁畫保護的實際應用，極大提高使用效率。」

　　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」雜化納米材料。

　　研究結果顯示，該材料顆粒約為80納米，尺寸均勻，並且對壁畫顏料具有強的黏附性，具備抗紫外線能力。

　　更重要的是，由於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，對於壁畫加固十分重要。

　　讓中國考古科學走向世界

　　陝西省擁有豐富的文物資源，2014年，西北工業大學納米能源材料研究中心首席科學家魏秉慶教授發揮團隊在納米材料研究方面的優勢，提出了「材料科學與文物保護研究」這一新的研究方向。

　　李炫華坦承，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，並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。」

　　在4年多科研工作中，納米能源材料研究中心與陝西省考古研究院、陝西歷史博物館等單位「強強聯合」，取得了壁畫保護材料新突破，申請國家發明專利12項，授權2項，並成功將研發材料運用到3處著名唐墓壁畫的加固中，取得了良好效果。

　　李炫華透露，在後續工作中，課題組還會繼續研發性能更加優異的壁畫保護材料，並進一步擴大這些材料的應用範圍，希望有更多亟待修復的古代壁畫獲得有效保護，最終形成一個良好的示範。

　　除此之外，他們還會探討這些材料在其他石質文物、紙質文物、骨質文物乃至整個文化遺產保護中的可能性。

　　「我們團隊有一個夢想，希望能將目前的前沿科學研究和古老的文物保護聯繫在一起，使文物保護變得科學、嚴謹而有趣，力爭扭轉當前文物保護存在的重人文輕科學和被西方國家牽著鼻子走的局面。」李炫華說。

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