納米材料在巖刻類巖畫保護中的實驗性應(yīng)用

1、    納米材料在巖刻類巖畫保護中的實驗性應(yīng)用    張嘉馨摘 要：巖畫承載著人類遠古的歷史和文化，但由于自然風化和環(huán)境破壞巖畫日漸斑駁模糊。本文探討了納米材料在巖刻類巖畫保護應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢；希望納米材料的應(yīng)用和開發(fā)能夠守護古老的巖畫遺存。關(guān)鍵詞：巖畫保護 防風化 納米材料 具茨山巖畫一、巖畫風化與保護現(xiàn)狀1.巖石的風化類型巖石是巖畫的物質(zhì)載體；具體而言，巖石的風化類型有：物理風化、化學風化、生物風化三種類型，不同類型的風化其產(chǎn)生原因和導(dǎo)致的結(jié)果各不相同；對巖畫本身產(chǎn)生的破壞方式也有所差異。（1）巖石的物理風化：巖石物理風化的主要因素有干濕過程、冷

2、熱過程和凍融過程；物理風化對巖石的主要破壞原理在于水冰相互轉(zhuǎn)化過程中引起的熱脹冷縮，導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在物理風化的長期作用下使得巖體的強度下降，結(jié)構(gòu)遭到破壞。（2）巖石的化學風化：巖石的化學風化主要是指巖石與外部環(huán)境中的大氣、水分等發(fā)生化學反應(yīng)，形成新的化學物質(zhì)和礦物質(zhì)，從而使巖體遭到侵蝕破壞；化學風化的主要形式有：溶解作用、水化作用、氧化作用、碳酸化作用、堿化作用等。（3）巖石的生物風化：巖石的生物風化主要是指動植物的生命活動對巖石的破壞作用；例如：植物的根系在巖石中生長時的膨脹作用，及根系中有機酸、真菌、細菌、地衣等微生物的生命活動對巖體的侵蝕等。2.巖刻類巖畫的傳統(tǒng)保護方式與

3、保護現(xiàn)狀自中國巖畫發(fā)現(xiàn)100年以來，特別是90年代之后；巖畫的價值日益受到重要，保護也隨之有所發(fā)展；但就各個地區(qū)的巖畫保護措施而言，主要是建立巖畫保護區(qū)（寧夏賀蘭山、連云港將軍崖、河南具茨山、珠海寶鏡灣等）；或文管部門定期檢查（浙江仙居等）。（1）建立巖畫保護區(qū)：保護區(qū)的建設(shè)有效防止了涂鴉、刻畫、偷盜等人為因素對巖畫造成的破壞，但并未能有效防止巖體的風化。（2）搭建巖畫保護掩體：在巖畫上搭建小型建筑對巖畫進行遮蔽和保護，雖然能有效防止風蝕、水蝕、酸雨等風化要素，但對巖畫所在的原生自然景觀有負面影響，往往新搭建的保護建筑與周邊自然環(huán)境不能有效協(xié)調(diào)；也使人們難以近距離接近巖畫，進行觀察（內(nèi)蒙古烏海

4、巖畫）。（3）有機硅涂層對巖體進行防風化處理：2005年連云港將軍崖巖畫用有機硅材料對巖體進行了防風化處理。有機硅具有良好的憎水性，加之，將軍崖巖畫位于近海地帶，濕度大、地下土層鹽分高，有機硅的疏水性使得巖體內(nèi)部由于水分的交換不暢產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，易對巖體造成破壞。二、納米二氧化硅復(fù)合二氧化鈦的特性及防風化實驗納米材料通常是指粒徑在1nm到10nm之間的材料，因其粒徑過小而具有界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，從而改變了材料的性能，具備了新的物理和化學特性。當材料在納米尺度時，材料的表面相會影響到材料的性質(zhì)。同時，在納米材料中電子相關(guān)性很強，能級分裂和電子布局的改變、量子隧道和輸運的不同以及

5、材料中的激發(fā)態(tài)都會對納米材料的性能產(chǎn)生影響。其中納米材料的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使其與其他材料（如高分子聚合物）中不飽鍵的電子云發(fā)生作用，進而與材料中的大分子相互結(jié)合形成立體的網(wǎng)狀，這大幅度提高了材料的強度、韌性、延展性，使材料具有極強的耐腐蝕抗氧化性。納米二氧化硅（sio？）粒徑很小，表面吸附力強、表面能大、分散性能好，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學、防護涂層等領(lǐng)域。具體到保護涂層而言，納米二氧化硅不僅具有良好的韌性和耐候性；還具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、擁有龐大的比表面積、表現(xiàn)出極大的活性、能在涂層干燥時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了涂層的強度和通透性。同時，納米氧化硅還具有良好的生物親和性。1.提高強

6、度和耐候性通過納米材料的覆蓋，形成保護層，有利于提高巖面的強度，增加抗擊打的能力，有效抵制雨水、沙塵等產(chǎn)生的撞擊力而帶來的破壞；同時，保護層對于周邊環(huán)境的波動、溫差帶來的巖體張力、濕氣、鹽分的滲入具有一定的隔離效果，從而提高了巖體的耐候性。2.透明及防遮蓋性涂層厚度：根據(jù)sem照片顯示，將納米材料涂在具有氧化層的硅片上，涂抹三層的厚度約為300nm。也即平均每層僅為100nm。同時，納米材料的粒徑都小于100mn，而可見光的波長則為400mn至750nm，因此根據(jù)mie理論可知納米級材料相對于可見光而言是透明的?；诩{米材料良好的透明性和防遮蓋性將其涂在巖畫表面不會改變巖畫的視覺效果和原有性狀

7、。3.良好的親水性傳統(tǒng)的有機材料（例如連云港將軍崖使用的有機硅）與巖體的相容性尚待提高，首先：巖石本身的親水性和有機保護膜之間憎水性的矛盾會導(dǎo)致巖體產(chǎn)生應(yīng)力破壞；即：表層的憎水性使石頭的內(nèi)外層產(chǎn)生顯著的溫度、濕度梯度從而造成應(yīng)力破壞。保護材料的憎水性越大，界面應(yīng)力越集中，破壞速度也越快；同時，巖石的強度越小、吸水率越高，也更易于遭到破壞。其次：在干濕循環(huán)過程中，被保護部分的憎水性和巖石基底親水性的物理性質(zhì)差異及界面應(yīng)力也會對巖體內(nèi)部造成破壞。第三：傳統(tǒng)有機材料的保護膜阻止了可溶性鹽分在巖體內(nèi)部和表面的遷移，鹽的結(jié)晶應(yīng)力可以頂破保護層，甚至漲破巖體的表層組織，使巖體呈粉狀剝落。4.良好的透氣性透

8、氣性是指保護材料在阻止外界液態(tài)水進入巖體的同時，也可以讓巖體內(nèi)部的水分通過氣體的形式從內(nèi)部散發(fā)出來，使得巖體內(nèi)外的濕度達到一個相對平衡的狀態(tài)。就原生的巖體本身而言，其自身的毛細孔就可以保證巖體與外界的水汽交換；一旦使用了高分子保護材料，由于材料的憎水性，使得巖體內(nèi)部與外部不能進行有效的水氣交換，進而對巖體產(chǎn)生破壞。但納米材料，基于其表面相和良好的透氣、透水性可以保證巖體內(nèi)部與外部的水氣交換。5.防紫外線、抗老化性紫外線是一種比可見光光波短的電磁波，波長越短、能量越大、危害也就越大，因此，紫外線也是造成巖面風化的重要原因之一。納米材料的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)（納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)使其在吸光時產(chǎn)

9、生“寬化” 和“藍移”現(xiàn)象進而增強了對紫外線的吸收作用。）對光有良好的吸收作用。 6.自清潔功能光催化功能的研究發(fā)現(xiàn)：在日光的紫外線作用下，納米二氧化鈦被激活并生成具有高催化活性的游離基，能產(chǎn)生很強的光氧化及還原能力，可催化、光解附著于物體表面的各種有機物及部分無機物，利用氧化鈦的光催化反應(yīng)可以把吸附在氧化鈦表面的有機污染物分解為自然揮發(fā)的co2和o2，剩余的無機物可被雨水直接沖刷干凈，從而實現(xiàn)自清潔功能。（同時，納米二氧化鈦可成為親水性和親油性兩相共存的“二元協(xié)同納米界面”。）三、納米涂層保護技術(shù)在具茨山巖畫中初步的實驗性應(yīng)用具茨山位于河南省新鄭市辛店鎮(zhèn)，為中岳嵩山之余脈，東西長2公里，南北

10、寬1.5公里，面積3平方公里，海拔793米，相對高度540米。莊子·徐無鬼載：“黃帝見大隗于具茨之山?！贬B道元水經(jīng)注記載：“黃帝登具茨山，升于洪堤上，受神芝圖于華蓋童子，即是山也?！?；具茨山凹穴巖畫用敲鑿法而成，“由于沒有確鑿的考古學依據(jù)，我們只能把中原早期凹穴巖畫的時代粗略地限定在 bp11000 6000 年之間。雖然這種交叉斷代仍然不能準確反映中原凹穴巖畫，也包括我國其他地區(qū)凹穴巖畫的絕對年代，但至少我們可以了解凹穴巖畫的古老性，及其大致的延續(xù)時間?！彼?、對于不同地區(qū)的巖畫保護與納米涂層制備的探索在使用納米材料對巖刻類巖畫進行保護的時候，要注意“因地制宜”，根據(jù)不同地區(qū)巖石的性

11、質(zhì)和所處的自然地理環(huán)境，及其風化要素的分析，對納米材料的配置在實驗室中進行相應(yīng)的調(diào)整。1.根據(jù)巖石本身的物理性質(zhì)、透氣性、含水性等，對納米涂層的制備進行調(diào)整；同時要著重注意巖石的張力與涂層之間的張力相匹配，避免因二者張力不一致造成的破壞。在納米材料的硬度方面，要注意材料的熱脹系數(shù)與巖石的熱脹系數(shù)要接近；如果材料硬度低，延展伸縮性好，與巖體的熱脹系數(shù)保持一致，就不會因涂層與巖體的熱脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致巖體表面的剝落現(xiàn)象。2.增強材料的親水性和透氣性，促進巖面與自然界的水汽交換；避免所保護巖石的小生態(tài)環(huán)境部受到破壞。* 把握水（潮氣）在巖體內(nèi)外的運移和相變情況，避免干濕循環(huán)本身產(chǎn)生的和由此引

12、發(fā)的應(yīng)力破壞；* 掌握可溶鹽在巖石內(nèi)部的運移情況，注意巖體脫鹽和隔離鹽的來源；3.考量日照因素，根據(jù)巖畫所處地域的日照情況和數(shù)據(jù)分析，增加納米二氧化鈦的含量，提高防紫外線的能力。4.分析巖畫點所在周邊環(huán)境中，造成化學腐蝕的主要來源與物質(zhì)；如酸雨中的二氧化硫、霧霾中的氮氧化物、塵降中的有害化學物質(zhì)等；針對不同地區(qū)主要化學腐蝕物質(zhì)的來源不同，對納米材料的合成進行調(diào)整。結(jié)語面對斑駁疏離的圖像，對巖畫進行防風化保護將為以后的斷代和學術(shù)研究提供條件和基礎(chǔ)；本文借用納米材料對巖畫本體的保護進行了初步的實驗和探索，并以具茨山巖畫為依托進行了個案研究；雖然在具體的實施過程中還有一些問題需要進一步細化，但希望藉此能拋磚引玉；科技的發(fā)展一定是日新月異，相信在未來巖畫保護會有更多新的突破。參考文獻：1郭宏.論文物保護科學研究的內(nèi)容與方法j.文物保護與