西北工業(yè)大學(xué)發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)新用途
2018-10-16 11:44:46
作者：本網(wǎng)整理 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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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(huà)保護(hù)的材料科學(xué)家，他們專(zhuān)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。
▲團(tuán)隊(duì)學(xué)生在模擬壁畫(huà)上嘗試新材料。
▲李炫華老師（中）帶領(lǐng)學(xué)生觀察新材料。
那么，當(dāng)材料應(yīng)用于壁畫(huà)保護(hù)，究竟能解決什么問(wèn)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(huà)保護(hù)方面的研究進(jìn)展。
當(dāng)壁畫(huà)保護(hù)遭遇材料危機(jī)古代館藏壁畫(huà)是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的寶貴財(cái)富，壁畫(huà)主要包括建筑壁畫(huà)、石窟壁畫(huà)和墓葬壁畫(huà)。
墓葬壁畫(huà)的時(shí)間和范圍分布都很廣泛，從4200年前的石峁遺址壁畫(huà)到唐、宋、元、明、清歷代均有發(fā)現(xiàn)墓葬壁畫(huà)，尤其唐朝，無(wú)論數(shù)量和質(zhì)量上都受到人們的極大關(guān)注。
但是人類(lèi)不得不面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，目前有大量墓葬壁畫(huà)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(guó)科學(xué)報(bào)》記者：“壁畫(huà)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(huà)表層受損，因此需要有效保護(hù)。”
目前壁畫(huà)保護(hù)材料主要分為有機(jī)和無(wú)機(jī)材料兩大類(lèi)，但是有機(jī)保護(hù)材料與壁畫(huà)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(huà)最終會(huì)膨脹、粉化，從而對(duì)壁畫(huà)造成不可修復(fù)的致命傷害。
而類(lèi)似于氫氧化鈣的無(wú)機(jī)保護(hù)材料，具有兼容性好、耐老化的優(yōu)點(diǎn)。“在施加到壁畫(huà)表面后，氫氧化鈣會(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。”李炫華說(shuō)。
2000年，意大利學(xué)者提出利用納米氫氧化鈣保護(hù)壁畫(huà)。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(wú)機(jī)納米材料成為了新的壁畫(huà)保護(hù)材料研究方向。
這個(gè)想法實(shí)踐起來(lái)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(lái)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(wèn)題仍未得到有效解決，根本原因是還沒(méi)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(shuō)。
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(wèn)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)。“這個(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(huà)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(huà)表面，這也有利于大規(guī)模壁畫(huà)保護(hù)的實(shí)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(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(huà)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(huà)加固十分重要。
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