保护艺术品,请选择石墨烯“面纱”

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在参观博物馆的时候,会经常看到“禁止拍照”的标志。事实上,拍照本身不会对文物造成伤害,然而忘记关掉的闪光灯,却很有可能成为文物老化的罪魁祸首之一。

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文物保存对环境要求较高,因此博物馆要常年控制温度和湿度,展品也被放置在展柜中。而光强度往往成为最难控制的变量,需要游客共同维护。比如卢浮宫的《蒙娜丽莎》,每天都仿佛在召开新闻发布会。

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仿佛在开新闻发布会的《蒙娜丽莎》。图片来源于网络


《蒙娜丽莎》这样的世界名画,以及各种织物、纸张类文物,或许正在经历“见光死”。研究表明,光照可造成白色颜料变黄以及彩色颜料褪色 [1]一个典型的例子是梵高的《向日葵》和《云空下的干草垛》等油画,多年过去,彩色颜料正在缓慢褪色。鲜艳的颜色,往往深受印象派画家的喜爱。然而在可见光照射下,光子将能量传递给颜料,引发一系列化学反应,红色的Pb3O4慢慢光化学降解,最终将被破坏并褪色 [2]

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《云空下的干草垛》中红色的颜料变成白色。图片来源:Angew. Chem. [2]


近日,希腊研究与技术基金会化工科学研究所(FORTH/ICE-HT)Costas Galiotis课题组与意大利佛罗伦萨大学等机构的学者合作在Nature Nanotechnology 杂志上发表的论文,又一次拓展了石墨烯的应用范围。他们将石墨烯像面纱一样罩在艺术品表面,利用其阻挡紫外线以及氧气、水蒸气等分子,可以有效地防止色彩褪色,石墨烯无疑是运输和展览期间保护绘画作品的理想材料。

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保护艺术品的石墨烯“面纱”。图片来源:FORTH/ICE-HT[3]


石墨烯的CVD制备已经是比较成熟的策略,得到的单层石墨烯可以先通过卷对卷的方式从铜箔转移到压敏胶粘膜上,随后再转移到不同衬底的艺术品上,如光面纸、硬纸和帆布。整个过程不使用表面修饰剂或粘合剂,也不会影响艺术品图案和纸张的完整性。重复这一过程,还可以沉积双层和三层石墨烯。单层、双层和三层的石墨烯均具有良好的透明度并不影响色彩观察。

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石墨烯沉积到艺术品上。图片来源:Nat. Nanotechnol.


研究者使用氖灯、白光和紫外光分别照射,来诱导颜料褪色,并利用保护因子(protection factor)分析石墨烯“面纱”的性能。在白光和紫外光分别照射4周和5天后,单层石墨烯的保护因子分别为9.6%和23.8%。随着石墨烯层数的变多,保护因子几乎呈现线性增加,三层石墨烯在紫外光照射一年后,保护因子可达73%。不过随着层数变大,透光率下降,色彩的鲜艳程度会受到影响。另外,除了光面纸,石墨烯在硬纸和帆布上也同样能起到较好的保护效果。

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石墨烯“面纱”防褪色性能定量评估。图片来源:Nat. Nanotechnol.


颜料降解通常是光化学过程,光照为化学反应提供能量,与空气中的氧气或水蒸气分子反应。而石墨烯“面纱”的保护作用主要归功于两个方面:吸收紫外光的能力,以及避免氧和水分子的渗透。单层石墨烯对可见光和紫外光的吸收率为~2.3%和~8%,并随着层数的增多而成倍增加。同时,石墨烯层还可以阻挡氧气分子、水分子和其他物质(例如挥发性有机化合物等)接触颜料。二者的协同作用增加了石墨烯“面纱”的保护能力。

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石墨烯“面纱”防褪色机制。图片来源:Nat. Nanotechnol.


当然,石墨烯“面纱”非常容易除去,通过软橡皮擦就可以从表面轻轻擦掉,并不会对艺术品造成损害。同时,研究者也尝试了非接触式的石墨烯“面纱”保护,将石墨烯沉积在玻璃罩上,用来保护那些表面粗糙或者易碎、脆弱的艺术品。

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将石墨烯从艺术品上擦除。图片来源:Nat. Nanotechnol.


正如我们在炎炎夏日中,选择穿上防晒服、带上遮阳帽,抵挡灼灼烈日,艺术品或许也需要带上“面纱”。石墨烯作为一种二维材料,不仅对可见光具有较好的透光性,而且还可以在一定程度上屏蔽紫外光和氧气、水蒸气等分子,是展品在陈列和运输期间理想的保护材料。艺术品是人类社会宝贵的财富,更承载着人类的文明和思想。科技或许无法创造艺术,却可以让文化更好地传承和发展。

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