西北工業(yè)大學發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點新用途
2018-10-16 11:44:46
作者：本網(wǎng)整理 來源：中國科學報
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提起文物保護，不少人都認為這是社會科學領(lǐng)域?qū)＜业奶亻L。
但是，在西北工業(yè)大學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(shù)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(lǐng)學生觀察新材料。
那么，當材料應用于壁畫保護，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。
西北工業(yè)大學教授李炫華告訴《中國科學報》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，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，意大利學者提出利用納米氫氧化鈣保護壁畫。由于納米尺寸效應，氫氧化鈣的化學、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(diào)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。
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