▲團隊學(xué)生在模擬壁畫上嘗試新材料。

李炫華老師（中）帶領(lǐng)學(xué)生觀察新材料。

■本報見習(xí)記者 高雅麗

提起文物保護,，不少人都認為這是社會科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业奶亻L。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)在文物保護中的作用。

那么,，當材料應(yīng)用于壁畫保護,，究竟能解決什么問題？近日,，《先進功能材料》刊發(fā)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(fā)展的寶貴財富,，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現(xiàn)實問題是，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》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。”

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(dǎo)致機械性下降,。同時,，由于形成的膜不透氣，壁畫最終會膨脹,、粉化,，從而對壁畫造成不可修復(fù)的致命傷害。

而類似于氫氧化鈣的無機保護材料,，具有兼容性好,、耐老化的優(yōu)點。“在施加到壁畫表面后,，氫氧化鈣會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度,，起到保護作用,。”李炫華說。

2000年,，意大利學(xué)者提出利用納米氫氧化鈣保護壁畫,。由于納米尺寸效應(yīng)，氫氧化鈣的化學(xué),、物理特性會發(fā)生改變,，表面活性及穩(wěn)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(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。

“氫氧化鈣的碳化慢、加固強度低等問題仍未得到有效解決,，根本原因是還沒有厘清氫氧化鈣成核生長動力學(xué)規(guī)律,，進而難以實現(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)石墨烯量子點新用途

圍繞這個困擾了科學(xué)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(yīng),，有效調(diào)控了氫氧化鈣的成核生長動力學(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,。“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(huán)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)模壁畫保護的實際應(yīng)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(jié)果顯示,，該材料顆粒約為80納米,，尺寸均勻，并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，由于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(wěn)定的“方解石”相,，對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)揮團隊在納米材料研究方面的優(yōu)勢，提出了“材料科學(xué)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(shù)的影響，我國的文物保護理念和材料技術(shù)大都借鑒西方國家的經(jīng)驗,。“因此,，如何發(fā)揮我國理工科學(xué)者的優(yōu)勢、與傳統(tǒng)文物保護有機結(jié)合,，并且形成具有中國特色的文物保護理念是材料科學(xué)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陜西省考古研究院,、陜西歷史博物館等單位“強強聯(lián)合”,，取得了壁畫保護材料新突破，申請國家發(fā)明專利12項,，授權(quán)2項,，并成功將研發(fā)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,，在后續(xù)工作中，課題組還會繼續(xù)研發(fā)性能更加優(yōu)異的壁畫保護材料,，并進一步擴大這些材料的應(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，最終形成一個良好的示范,。除此之外,，他們還會探討這些材料在其他石質(zhì)文物、紙質(zhì)文物,、骨質(zhì)文物乃至整個文化遺產(chǎn)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(xué)研究和古老的文物保護聯(lián)系在一起,，使文物保護變得科學(xué),、嚴謹而有趣，力爭扭轉(zhuǎn)當前文物保護存在的重人文輕科學(xué)和被西方國家牽著鼻子走的局面,。”李炫華說,。