纳米材料在文物科技保护中的研究与应用

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【摘 要】纳米材料是一种新型的材料，引起了广泛关注。本文重点分析了纳米复合材料应用于文物科技保护中的优势，探讨了纳米材料在金属类，石质类，纸质类及纺织等类别文物中的研究与应用。随着研究的进一步深入，纳米材料必将会带动文物保护的新的发展。

【关键词】纳米材料；文物科技保护；应用

0 前言

我国历史悠久，文物资源丰富。随着时间的流逝他们都在经受着不同程度的损害，文物保护工作任重而道远。文物保护是应用自然科学的手段对文物进行调查研究和保护修复，其中材料科学对其起着重要的作用[1]。随着科学技术的不断发展，越来越多的新材料被应用于文物科技保护领域，纳米材料就是其中之一。

纳米材料[2]由纳米微粒构成，纳米微粒的尺寸范围是1～l00 nm，它是由数目较少的原子或分子组成的原子群或分子群，其表面是既无长程序又无短程序的非晶层；而在粒子内部是具有长程序的晶状结构，由于这种特殊的结构，导致了纳米微粒的表面效应、体积效应和量子尺寸效应[3]，并由此产生许多与常规材料不同的物理、化学特性，许多高性能产品将有机会在纳米科技领域中实现。

1 纳米复合材料用于文物保护的优势

利用纳米材料特殊的性能，通过把某些纳米材料与传统有机高分子聚合物复合，用于文物保护，主要有以下几大优势：

1.1 疏水疏油性

纳米微粒尺寸小，比表面积大，表面能高，这种表面效应，使其具有很高的物理化学活性和很强的吸附性，可强力吸附气体分子，在材料表面形成一层稳定的气体薄膜，就使得水和油无法在其表面展开[4]。

如今随着工业化的发展，环境污染对文物古迹造成的危害日益严峻，纳米复合材料的疏水疏油性将为发展新型文物保护层材料提供新的方法，该类材料在阻止水蒸气，有机物，酸雨等有害物质对文物的侵蚀方面将会起到不可估量的作用。

1.2 减小光辐射

光辐射是影响文物寿命的重要环境因素，特别是紫外线照射能加速文物的老化[5]。纳米微粒的直径小，材料以离子键和共价键为主要结合力，对光的吸收能力较强，能够有效屏蔽光线，将其应用于文物表面保护，有利于文物抗紫外线和抗老化。例如纳米TiO2[6]，被广泛用做抗紫外线吸收剂，具有优良的吸收紫外线的功能。

1.3 透明度好

文物保护用封护材料要求要透明无眩光，能够清晰显示文物本体的面貌。基于纳米材料的体积效应，人类可以通过控制纳米材料的大小与形状，达到对同一种化学组成材料的基本特性如颜色、光、电、磁等性质的控制的目的。比如，TiO2抗紫外线，无毒且透明，可探索用于文物展陈的箱体，灯光等设施，国内已有相关的研究[7]。

1.4 杀菌及防治微生物

细菌等微生物危害会引起文物特别是有机质文物的糟朽霉烂。封护材料要求具有一定的防腐性能。由于纳米材料有强大的吸附性，可用做抗菌材料，纳米二氧化钛，二氧化硅等抗菌性较好[8]，可设计制备含有抗菌性纳米材料的复合材料用于文物保护。

2 纳米复合材料在文物保护中的具体应用

纳米复合材料作为一种很具发展前途的新型材料，在多种类别的文物中都已经显示出巨大的应用前景。

2.1 在金属类文物中的应用

纳米复合材料在金属类文物保护中具有广发的应用前景。对于青铜文物来说，青铜病是青铜器保存的大敌，而发生青铜病腐蚀的根本原因是在外界环境的作用下，青铜器本体发生了电化学腐蚀[9]。纳米复合材料的疏水性将有效阻止外界环境中的水分对文物本体的侵蚀，减缓电化学反应的发生。众所周知被称为铜镜中精品的“黑漆古”铜镜，表面层耐腐蚀性能优异，其耐腐蚀机理和形成机制受到了广泛的关注。相关实验和科学仪器分析表明[10]，黑漆古铜镜表层就是由单一物相纳米SnO2组成的。

2.2 在石质文物中的应用

石质文物的病害主要来自自然界的风化作用和环境污染的侵蚀，该类文物的保护需要对其表层进行防护。同传统的表面防护剂相比，纳米复合材料优势明显。邵高峰[11]等人研制了一种环保型石质文物防风化材料，他们把纳米TiO2和SiO2改性以后将其分散于水性氟碳树脂中，通过多组实验得到了最佳复合体系，分析数据表明该防风化剂具有很好的防紫外线和防水耐蚀性能，且无毒环保，是一种综合性能良好的防风化材料。

2.3 在纸质文物中的应用

纸质文物由于材质本身和环境的影响易发生严重损害，特别是纸张的酸化加剧了其老化，人们也一直在探索研究各种脱酸技术[12]。意大利的 Rodorico Giorgi 等就成功的将纳米技术应用于纸质文物脱酸[13]。他们通过均相合成等方法制备了氢氧化钙在异丙醇溶剂中的纳米分散体系，将此体系应用于纸质样品中，不仅有效的降低了纸的酸度，同时多余的氢氧化钙通过和空气中的二氧化碳反应，会在纸纤维中形成一个碳酸钙储备层，能够长时期控制纸张的酸度，有利于纸质文物的长期保存。

2.4 在纺织品类文物保护中的应用

纺织品一般属于天然高分子材料，由于天然的降解和氧化作用以及外界环境的影响，变得极其脆弱。该类文物的保存与保存环境息息相关，特别是紫外线和霉菌对其损伤巨大。挑选兼具抗紫外线和抗菌性能的纳米材料，可设计合成纳米液相分散体系。据文献报道，纳米Ti02在古代纺织品保护中的应用研究工作已经展开[14]，实验结果表明，经纳米材料处理后的纺织文物有更好的屏蔽紫外线和抗菌能力。

3 纳米材料在文物保护中的应用展望

二十一世纪将是“纳米的世纪”，纳米技术和纳米材料也给文物保护技术的发展提供了新的思路，这方面的研究工作国内外均已展开。作为一种新型学科，其基础理论研究还在逐步发展之中，对于文物这种不可再生资源，纳米材料的真正应用还需要在理论和技术经过反复验证并且相当成熟的时候实施。随着研究的不断深入，纳米材料在文物科技保护中的应用将会更加广泛。

【参考文献】

[1]周双林.文物保护用有机高分子材料及要求[J].四川文物，2003，3：94-96.

[2]白春礼.纳米科学与技术[M].云南科学技术出版社，1995.

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[6]汪斌华，黄婉霞，李彦峰，郑洪平，涂铭旌.纳米TiO2和ZnO的抗老化性应用研究[J].四川大学学报：工程科学版，2003，35（4）：103-105.

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[8]邱松山，姜翠翠，海金萍.纳米二氧化钛表面改性及其抑菌性能研究[J].食品与发酵科技，2010，46（6）：5-7.

[9]傅丽英，陈中兴，蔡兰坤，祝鸿范，周浩.溶液pH值与氯离（下转第91页）（上接第62页）子对青铜腐蚀的影响[J].腐蚀与防护，2000，21（7）：294-296.

[10]刘世伟，王世忠，王昌燧，周贵恩.“黑漆古”铜镜表层的结构分析[J].中国科学技术大学学报，2000，30（6）：740-743.

[11]邵高峰，许淳淳.环保型石质文物防风化剂的研制[J].腐蚀与防护，2007，28（11）：562-565.

[12]奚三彩.纸质文物脱酸与加固方法的综述[J].文物保护与考古科学，2008，20（z1），85-94.

[13]R. Giorgi， L. Dei， M. Ceccato， C. Schettino， P. Baglioni. Nanotechnologies for conservation of cultural heritage： paper and canvas deacidification [J]. Langmuir， 2002， 18： 8198-8203.

[14]王敏，屠恒贤.纺织文物保护与纳米材料[J].上海：科学，2005，57（4）：11-13.