納米材料在巖刻類巖畫(huà)保護(hù)中的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用

張嘉馨

摘 要：巖畫(huà)承載著人類遠(yuǎn)古的歷史和文化，但由于自然風(fēng)化和環(huán)境破壞巖畫(huà)日漸斑駁模糊。本文探討了納米材料在巖刻類巖畫(huà)保護(hù)應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)；希望納米材料的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)能夠守護(hù)古老的巖畫(huà)遺存。

關(guān)鍵詞：巖畫(huà)保護(hù) 防風(fēng)化 納米材料 具茨山巖畫(huà)

一、巖畫(huà)風(fēng)化與保護(hù)現(xiàn)狀

1.巖石的風(fēng)化類型

巖石是巖畫(huà)的物質(zhì)載體；具體而言，巖石的風(fēng)化類型有：物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化三種類型，不同類型的風(fēng)化其產(chǎn)生原因和導(dǎo)致的結(jié)果各不相同；對(duì)巖畫(huà)本身產(chǎn)生的破壞方式也有所差異。

（1）巖石的物理風(fēng)化：巖石物理風(fēng)化的主要因素有干濕過(guò)程、冷熱過(guò)程和凍融過(guò)程；物理風(fēng)化對(duì)巖石的主要破壞原理在于水冰相互轉(zhuǎn)化過(guò)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(fēng)化的長(zhǎng)期作用下使得巖體的強(qiáng)度下降，結(jié)構(gòu)遭到破壞。

（2）巖石的化學(xué)風(fēng)化：巖石的化學(xué)風(fēng)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(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)物質(zhì)和礦物質(zhì)，從而使巖體遭到侵蝕破壞；化學(xué)風(fēng)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(fēng)化：巖石的生物風(fēng)化主要是指動(dòng)植物的生命活動(dòng)對(duì)巖石的破壞作用；例如：植物的根系在巖石中生長(zhǎng)時(shí)的膨脹作用，及根系中有機(jī)酸、真菌、細(xì)菌、地衣等微生物的生命活動(dòng)對(duì)巖體的侵蝕等。

2.巖刻類巖畫(huà)的傳統(tǒng)保護(hù)方式與保護(hù)現(xiàn)狀

自中國(guó)巖畫(huà)發(fā)現(xiàn)100年以來(lái)，特別是90年代之后；巖畫(huà)的價(jià)值日益受到重要，保護(hù)也隨之有所發(fā)展；但就各個(gè)地區(qū)的巖畫(huà)保護(hù)措施而言，主要是建立巖畫(huà)保護(hù)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(mén)定期檢查（浙江仙居等）。

（1）建立巖畫(huà)保護(hù)區(qū)：保護(hù)區(qū)的建設(shè)有效防止了涂鴉、刻畫(huà)、偷盜等人為因素對(duì)巖畫(huà)造成的破壞，但并未能有效防止巖體的風(fēng)化。

（2）搭建巖畫(huà)保護(hù)掩體：在巖畫(huà)上搭建小型建筑對(duì)巖畫(huà)進(jìn)行遮蔽和保護(hù)，雖然能有效防止風(fēng)蝕、水蝕、酸雨等風(fēng)化要素，但對(duì)巖畫(huà)所在的原生自然景觀有負(fù)面影響，往往新搭建的保護(hù)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(huà)，進(jìn)行觀察（內(nèi)蒙古烏海巖畫(huà)）。

（3）有機(jī)硅涂層對(duì)巖體進(jìn)行防風(fēng)化處理：2005年連云港將軍崖巖畫(huà)用有機(jī)硅材料對(duì)巖體進(jìn)行了防風(fēng)化處理。有機(jī)硅具有良好的憎水性，加之，將軍崖巖畫(huà)位于近海地帶，濕度大、地下土層鹽分高，有機(jī)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(duì)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(fēng)化實(shí)驗(yàn)

納米材料通常是指粒徑在1nm到10nm之間的材料，因其粒徑過(guò)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(xué)特性。當(dāng)材料在納米尺度時(shí)，材料的表面相會(huì)影響到材料的性質(zhì)。同時(shí)，在納米材料中電子相關(guān)性很強(qiáng)，能級(jí)分裂和電子布局的改變、量子隧道和輸運(yùn)的不同以及材料中的激發(fā)態(tài)都會(huì)對(duì)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(jìn)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(qiáng)度、韌性、延展性，使材料具有極強(qiáng)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(qiáng)、表面能大、分散性能好，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)、防護(hù)涂層等領(lǐng)域。具體到保護(hù)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(shí)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了涂層的強(qiáng)度和通透性。同時(shí)，納米氧化硅還具有良好的生物親和性。

1.提高強(qiáng)度和耐候性

通過(guò)納米材料的覆蓋，形成保護(hù)層，有利于提高巖面的強(qiáng)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(lái)的破壞；同時(shí)，保護(hù)層對(duì)于周邊環(huán)境的波動(dòng)、溫差帶來(lái)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(shí)，納米材料的粒徑都小于100mn，而可見(jiàn)光的波長(zhǎng)則為400mn至750nm，因此根據(jù)Mie理論可知納米級(jí)材料相對(duì)于可見(jiàn)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(huà)表面不會(huì)改變巖畫(huà)的視覺(jué)效果和原有性狀。

3.良好的親水性

傳統(tǒng)的有機(jī)材料（例如連云港將軍崖使用的有機(jī)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(jī)保護(hù)膜之間憎水性的矛盾會(huì)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(hù)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(shí)，巖石的強(qiáng)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(guò)程中，被保護(hù)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(huì)對(duì)巖體內(nèi)部造成破壞。第三：傳統(tǒng)有機(jī)材料的保護(hù)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(hù)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

透氣性是指保護(hù)材料在阻止外界液態(tài)水進(jìn)入巖體的同時(shí)，也可以讓巖體內(nèi)部的水分通過(guò)氣體的形式從內(nèi)部散發(fā)出來(lái)，使得巖體內(nèi)外的濕度達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。就原生的巖體本身而言，其自身的毛細(xì)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(hù)材料，由于材料的憎水性，使得巖體內(nèi)部與外部不能進(jìn)行有效的水氣交換，進(jìn)而對(duì)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(jiàn)光光波短的電磁波，波長(zhǎng)越短、能量越大、危害也就越大，因此，紫外線也是造成巖面風(fēng)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(shí)產(chǎn)生“寬化” 和“藍(lán)移”現(xiàn)象進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)紫外線的吸收作用。）對(duì)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(qiáng)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(jī)物及部分無(wú)機(jī)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(jī)污染物分解為自然揮發(fā)的CO2和O2，剩余的無(wú)機(jī)物可被雨水直接沖刷干凈，從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能。（同時(shí)，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(hù)技術(shù)在具茨山巖畫(huà)中初步的實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)2公里，南北寬1.5公里，面積3平方公里，海拔793米，相對(duì)高度540米?！肚f子·徐無(wú)鬼》載：“黃帝見(jiàn)大隗于具茨之山。”酈道元《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(huà)用敲鑿法而成，“由于沒(méi)有確鑿的考古學(xué)依據(jù)，我們只能把中原早期凹穴巖畫(huà)的時(shí)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(zhǔn)確反映中原凹穴巖畫(huà)，也包括我國(guó)其他地區(qū)凹穴巖畫(huà)的絕對(duì)年代，但至少我們可以了解凹穴巖畫(huà)的古老性，及其大致的延續(xù)時(shí)間?！?/p>

四、對(duì)于不同地區(qū)的巖畫(huà)保護(hù)與納米涂層制備的探索

在使用納米材料對(duì)巖刻類巖畫(huà)進(jìn)行保護(hù)的時(shí)候，要注意“因地制宜”，根據(jù)不同地區(qū)巖石的性質(zhì)和所處的自然地理環(huán)境，及其風(fēng)化要素的分析，對(duì)納米材料的配置在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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(duì)納米涂層的制備進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)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(huì)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(qiáng)材料的親水性和透氣性，促進(jìn)巖面與自然界的水汽交換；避免所保護(hù)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(yùn)移和相變情況，避免干濕循環(huán)本身產(chǎn)生的和由此引發(fā)的應(yīng)力破壞；

* 掌握可溶鹽在巖石內(nèi)部的運(yùn)移情況，注意巖體脫鹽和隔離鹽的來(lái)源；

3.考量日照因素，根據(jù)巖畫(huà)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(huà)點(diǎn)所在周邊環(huán)境中，造成化學(xué)腐蝕的主要來(lái)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(xué)物質(zhì)等；針對(duì)不同地區(qū)主要化學(xué)腐蝕物質(zhì)的來(lái)源不同，對(duì)納米材料的合成進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)語(yǔ)

面對(duì)斑駁疏離的圖像，對(duì)巖畫(huà)進(jìn)行防風(fēng)化保護(hù)將為以后的斷代和學(xué)術(shù)研究提供條件和基礎(chǔ)；本文借用納米材料對(duì)巖畫(huà)本體的保護(hù)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)和探索，并以具茨山巖畫(huà)為依托進(jìn)行了個(gè)案研究；雖然在具體的實(shí)施過(guò)程中還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步細(xì)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(lái)巖畫(huà)保護(hù)會(huì)有更多新的突破。

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作者單位：中央民族大學(xué)民族學(xué)與社會(huì)學(xué)學(xué)院