（原）材料视角 | 纳米材料与文物保护

初原载于 工大材料汇    2019-12-06未经允许禁止转载

纳米材料与文物保护纳米材料，顾名思义是由纳米级粒子组成的材料的统称。纳米粒子是一种超微颗粒，其尺度一般在1纳米到100纳米之间。当粒子尺寸进入到达纳米级之后，由于纳米材料的四大基本效应，使其展现出了许多特有的性质。到目前为止，人们在纳米材料方面所取得了许多瞩目的成绩。比如说，在电池制造方面，用超细的银粉或镍粉制作化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极，并增大与液体或气体之间的接触面积，提高电池的效率，而且有利于电池的小型化。真是一节更比六节强。

那么，使纳米材料应用得如此广阔的原因到底是什么？让我们来看看纳米粒子的四大基本效应——  表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子轨道效应。

纳米材料的基本效应

先来说说最容易理解的表面效应。当粒子尺寸进入纳米级后，随着粒子尺寸的减小纳米粒子的表面原子数会激增，使纳米粒子的表面原子数与总原子数之比大幅度增加。而表面原子之间的化学键具有不饱和性质，使其表面活性很高，易与其他原子结合来趋于稳定状态。所以能成为良好的储氢材料。

小尺寸效应很神奇。这是由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。磁性、内压、光吸收能力、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，产生一系列新奇的性质。

而量子尺寸效应，则是由于能级间的距离随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈显出一系列与宏观物体截然不同的反常特性,这种现象称为量子尺寸效应。纳米半导体或金属微粒通过量子尺寸效应可以形成宽频带的强吸收,人们在观察金属表面时,看到不同颜色的光泽,但当金属尺寸减小到纳米级时,各种金属纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率极低。

所谓宏观量子轨道效应，就是在宏观上观察到的量子效应。在通常情况下，宏观物体整体上并不出现量子效应。然而，当温度降低或粒子密度变大时，宏观物体的各个组分会重组进入能量较低的量子态，形成一个有机的整体，使得整个系统表现出奇特的量子性质。即，纳米粒子具有贯穿势垒（势能比附近的势能都高的空间区域）的能力。

纳米材料在文物保护中的应用 

同样，由于奇特的四大基本效应，使得纳米材料在文物修复和保护领域也有着一席之地。文物是历史的见证者，文化遗产是人类文明的结晶。从乐山大佛到大足石刻，从三星堆遗址到敦煌壁画，我们在惊叹古人智慧的同时，也感受到那沧桑厚重的历史气息。然而，随着工业时代的气候变化和人为破坏，许多文化遗迹的保存状况也不断劣化，于是如何将具有优良性能的纳米材料运用到刻不容缓的文物保护当中来便成为人们长久以来探寻的核心工作之一。

早在20世纪末，纳米氢氧化钙就已经作为一种高效的修复材料应用于文物保护。在疏松多孔的以碳酸盐基质为主的岩石壁画中，纳米氢氧化钙粒子进入这些多孔材质后，通过与大气中的二氧化碳反应转变成一种碳酸钙盐的网状物，并融入石壁中。高度结晶的纳米粒子产生结晶碳酸盐的网状物，能够显著提高文物的耐老化性能。

同时，在加固文物方面，纳米硅酸盐也是很有效的修复材料。直接使用硅酸乙酯溶液时形成的硅胶在干燥石壁时，容易在硅酸盐石材的气孔中破裂，产生裂缝或变形，从而带来副作用。但如果在原硅酸乙酯溶液中添加二氧化硅纳米粒子就可以有效地减少干燥阶段裂缝的形成。

除了修复文物，也要对还没有遭到破坏的文物进行保护。根据不同文物的材质、所处地理环境不同，纳米材料在不同的文物保护之路上各显神通。以下介绍三种情况下纳米材料在保护文物上的应用。

第一种情况：对于露天的雕塑。纳米材料可形成同时疏水和疏油的双疏界面，吸附在这上面的气体分子能形成一层致密的保护膜，降低水和油对文物的侵蚀作用，从而降低酸雨，雾霾等污染物对文物的损害程度。同时，如果将纳米氢氧化钙离子分散于醇介质中，不仅能够保护加固石壁，还能使风化部位的粉体粒子重新聚合，并通过降低石壁的吸水率来保护深层的岩体。

第二种情况：对于露天的金属制品。紫外线是侵蚀金属最主要的因素。因为紫外线的波长比可见光短，其能量远远高于可见光，这加速了金属的老化。特别是当紫外光照射在银器表面时，银原子吸收高能量光子后，会从稳定的基态跃迁到激发态，加速了银的腐蚀。因此，提高保护材料的紫外线屏蔽效果很重要。而纳米材料对光有着极强的吸收作用，以此增强文物表面对紫外线的屏蔽能力。

第三种情况：对于古籍字画和一些出土的文物。字画都是写在丝织品或纸制品上很容易受到虫蛀，而长久埋藏在地底的文物由于处于潮湿的环境中最易被微生物感染。若是在清洗字画时加入氧化锌纳米材料，就能取得很好的抗菌防霉的效果。

结语

可见，纳米材料在文物保护领域具有举足轻重的作用。到目前为止，虽然大多数纳米材料对文物的保护还处于起步阶段，很多保护方式都只是在试验期，但我们相信有一天纳米材料将成为保护文物古迹最坚实的后盾，同时，文物是人类文明的载体，是先辈们留给我们的不可再生的无可替代的珍贵遗产，作为历史的接班人，我们定要传承好这份财富！

一眼繁华，一世风沙。

一座座历经沧桑的大佛，

一段段饱受磨难的壁画，

修复过后的它：

乐山大佛回光返照，

西域驼队熠熠生辉，

远方羌笛声何处落下，

我语带潇洒以大漠为家。

一曲敦煌谣，幽幽天府乡，

浩瀚青史里传唱，走一遭。

梦古老，名利了，

一派逍遥，我还看今朝。

文物修复，以纳材为傲。

本期问题：

1、纳米材料吸收紫外线依据的是纳米粒子四大基本效应中的哪一个？

答案：量子尺寸效应

2、Q2：作为学生，能做些什么来保护文物？

精选留言1：

（1）自觉爱护文物，不破坏文物，如参观文物古迹时只看不摸，不乱扔垃圾，见到垃圾时随手捡起，不携带违规物品。

（2）尽量及时劝阻、制止破坏文物的人。

（3）配合文物保护单位保护文物，发现文物时上交，发现破坏文物的行为及时上报文物保护部门。

（4）成立宣传组织，向身边的人宣传文物保护意识，在旅游点等地向游客宣传保护文物的重要性,提醒人们要保护文物，使广大游客都能自觉地保护文物。

（5）呼吁有关部门，完善细化文物保护方面的法律法规，宣传现有的有关法律规定，加大资金投入保护力度，添加保护文物的标语牌，面向公众广泛宣传，加强道德上的宣传教育，让更多人心中有保护文物的观念等。

                                                                                                                                                                                   ---------凳子

本文作者：吴昊

时任审阅：于世龙  刘孟茜

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