纳米材料在岩刻类岩画保护中的实验性应用

摘 要：岩画承载着人类远古的历史和文化，但由于自然风化和环境破坏岩画日渐斑驳模糊。本文探讨了纳米材料在岩刻类岩画保护应用中的可行性和优势；希望纳米材料的应用和开发能够守护古老的岩画遗存。

关键词：岩画保护 防风化 纳米材料 具茨山岩画

一、岩画风化与保护现状

1.岩石的风化类型

岩石是岩画的物质载体；具体而言，岩石的风化类型有：物理风化、化学风化、生物风化三种类型，不同类型的风化其产生原因和导致的结果各不相同；对岩画本身产生的破坏方式也有所差异。

（1）岩石的物理风化：岩石物理风化的主要因素有干湿过程、冷热过程和冻融过程；物理风化对岩石的主要破坏原理在于水冰相互转化过程中引起的热胀冷缩，导致岩体内部产生较大的内应力，在物理风化的长期作用下使得岩体的强度下降，结构遭到破坏。

（2）岩石的化学风化：岩石的化学风化主要是指岩石与外部环境中的大气、水分等发生化学反应，形成新的化学物质和矿物质，从而使岩体遭到侵蚀破坏；化学风化的主要形式有：溶解作用、水化作用、氧化作用、碳酸化作用、碱化作用等。

（3）岩石的生物风化：岩石的生物风化主要是指动植物的生命活动对岩石的破坏作用；例如：植物的根系在岩石中生长时的膨胀作用，及根系中有机酸、真菌、细菌、地衣等微生物的生命活动对岩体的侵蚀等。

2.岩刻类岩画的传统保护方式与保护现状

自中国岩画发现100年以来，特别是90年代之后；岩画的价值日益受到重要，保护也随之有所发展；但就各个地区的岩画保护措施而言，主要是建立岩画保护区（宁夏贺兰山、连云港将军崖、河南具茨山、珠海宝镜湾等）；或文管部门定期检查（浙江仙居等）。

（1）建立岩画保护区：保护区的建设有效防止了涂鸦、刻画、偷盗等人为因素对岩画造成的破坏，但并未能有效防止岩体的风化。

（2）搭建岩画保护掩体：在岩画上搭建小型建筑对岩画进行遮蔽和保护，虽然能有效防止风蚀、水蚀、酸雨等风化要素，但对岩画所在的原生自然景观有负面影响，往往新搭建的保护建筑与周边自然环境不能有效协调；也使人们难以近距离接近岩画，进行观察（内蒙古乌海岩画）。

（3）有机硅涂层对岩体进行防风化处理：2005年连云港将军崖岩画用有机硅材料对岩体进行了防风化处理。有机硅具有良好的憎水性，加之，将军崖岩画位于近海地带，湿度大、地下土层盐分高，有机硅的疏水性使得岩体内部由于水分的交换不畅产生内应力，易对岩体造成破坏。

二、纳米二氧化硅复合二氧化钛的特性及防风化实验

纳米材料通常是指粒径在1nm到10nm之间的材料，因其粒径过小而具有界面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应等，从而改变了材料的性能，具备了新的物理和化学特性。当材料在纳米尺度时，材料的表面相会影响到材料的性质。同时，在纳米材料中电子相关性很强，能级分裂和电子布局的改变、量子隧道和输运的不同以及材料中的激发态都会对纳米材料的性能产生影响。其中纳米材料的小尺寸效应和宏观量子隧道效应，使其与其他材料（如高分子聚合物）中不饱键的电子云发生作用，进而与材料中的大分子相互结合形成立体的网状，这大幅度提高了材料的强度、韧性、延展性，使材料具有极强的耐腐蚀抗氧化性。

纳米二氧化硅（SiO？）粒径很小，表面吸附力强、表面能大、分散性能好，广泛应用于航空航天、医学、防护涂层等领域。具体到保护涂层而言，纳米二氧化硅不仅具有良好的韧性和耐候性；还具有三维网状结构、拥有庞大的比表面积、表现出极大的活性、能在涂层干燥时形成网状结构，从而增加了涂层的强度和通透性。同时，纳米氧化硅还具有良好的生物亲和性。

1.提高强度和耐候性

通过纳米材料的覆盖，形成保护层，有利于提高岩面的强度，增加抗击打的能力，有效抵制雨水、沙尘等产生的撞击力而带来的破坏；同时，保护层对于周边环境的波动、温差带来的岩体张力、湿气、盐分的渗入具有一定的隔离效果，从而提高了岩体的耐候性。

2.透明及防遮盖性

涂层厚度：根据SEM照片显示，将纳米材料涂在具有氧化层的硅片上，涂抹三层的厚度约为300nm。也即平均每层仅为100nm。同时，纳米材料的粒径都小于100mn，而可见光的波长则为400mn至750nm，因此根据Mie理论可知纳米级材料相对于可见光而言是透明的。基于纳米材料良好的透明性和防遮盖性将其涂在岩画表面不会改变岩画的视觉效果和原有性状。

3.良好的亲水性

传统的有机材料（例如连云港将军崖使用的有机硅）与岩体的相容性尚待提高，首先：岩石本身的亲水性和有机保护膜之间憎水性的矛盾会导致岩体产生应力破坏；即：表层的憎水性使石头的内外层产生显著的温度、湿度梯度从而造成应力破坏。保护材料的憎水性越大，界面应力越集中，破坏速度也越快；同时，岩石的强度越小、吸水率越高，也更易于遭到破坏。其次：在干湿循环过程中，被保护部分的憎水性和岩石基底亲水性的物理性质差异及界面应力也会对岩体内部造成破坏。第三：传统有机材料的保护膜阻止了可溶性盐分在岩体内部和表面的迁移，盐的结晶应力可以顶破保护层，甚至涨破岩体的表层组织，使岩体呈粉状剥落。

4.良好的透气性

透气性是指保护材料在阻止外界液态水进入岩体的同时，也可以让岩体内部的水分通过气体的形式从内部散发出来，使得岩体内外的湿度达到一个相对平衡的状态。就原生的岩体本身而言，其自身的毛细孔就可以保证岩体与外界的水汽交换；一旦使用了高分子保护材料，由于材料的憎水性，使得岩体内部与外部不能进行有效的水气交换，进而对岩体产生破坏。但纳米材料，基于其表面相和良好的透气、透水性可以保证岩体内部与外部的水气交换。

5.防紫外线、抗老化性

紫外线是一种比可见光光波短的电磁波，波长越短、能量越大、危害也就越大，因此，紫外线也是造成岩面风化的重要原因之一。纳米材料的表面效应和量子尺寸效应（纳米颗粒的量子尺寸效应使其在吸光时产生“宽化” 和“蓝移”现象进而增强了对紫外线的吸收作用。）对光有良好的吸收作用。

6.自清洁功能

光催化功能的研究发现：在日光的紫外线作用下，纳米二氧化钛被激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种有机物及部分无机物，利用氧化钛的光催化反应可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为自然挥发的CO2和O2，剩余的无机物可被雨水直接冲刷干净，从而实现自清洁功能。（同时，纳米二氧化钛可成为亲水性和亲油性两相共存的“二元协同纳米界面”。）

三、纳米涂层保护技术在具茨山岩画中初步的实验性应用

具茨山位于河南省新郑市辛店镇，为中岳嵩山之余脉，东西长2公里，南北宽1.5公里，面积3平方公里，海拔793米，相对高度540米。《庄子·徐无鬼》载：“黄帝见大隗于具茨之山。”郦道元《水经注》记载：“黄帝登具茨山，升于洪堤上，受《神芝图》于华盖童子，即是山也。”；具茨山凹穴岩画用敲凿法而成，“由于没有确凿的考古学依据，我们只能把中原早期凹穴岩画的时代粗略地限定在 BP11000 ～ 6000 年之间。虽然这种交叉断代仍然不能准确反映中原凹穴岩画，也包括我国其他地区凹穴岩画的绝对年代，但至少我们可以了解凹穴岩画的古老性，及其大致的延续时间。”

四、对于不同地区的岩画保护与纳米涂层制备的探索

在使用纳米材料对岩刻类岩画进行保护的时候，要注意“因地制宜”，根据不同地区岩石的性质和所处的自然地理环境，及其风化要素的分析，对纳米材料的配置在实验室中进行相应的调整。

1.根据岩石本身的物理性质、透气性、含水性等，对纳米涂层的制备进行调整；同时要着重注意岩石的张力与涂层之间的张力相匹配，避免因二者张力不一致造成的破坏。在纳米材料的硬度方面，要注意材料的热胀系数与岩石的热胀系数要接近；如果材料硬度低，延展伸缩性好，与岩体的热胀系数保持一致，就不会因涂层与岩体的热胀系数不同产生的应力而导致岩体表面的剥落现象。

2.增强材料的亲水性和透气性，促进岩面与自然界的水汽交换；避免所保护岩石的小生态环境部受到破坏。

* 把握水（潮气）在岩体内外的运移和相变情况，避免干湿循环本身产生的和由此引发的应力破坏；

* 掌握可溶盐在岩石内部的运移情况，注意岩体脱盐和隔离盐的来源；

3.考量日照因素，根据岩画所处地域的日照情况和数据分析，增加纳米二氧化钛的含量，提高防紫外线的能力。

4.分析岩画点所在周边环境中，造成化学腐蚀的主要来源与物质；如酸雨中的二氧化硫、雾霾中的氮氧化物、尘降中的有害化学物质等；针对不同地区主要化学腐蚀物质的来源不同，对纳米材料的合成进行调整。

结语

面对斑驳疏离的图像，对岩画进行防风化保护将为以后的断代和学术研究提供条件和基础；本文借用纳米材料对岩画本体的保护进行了初步的实验和探索，并以具茨山岩画为依托进行了个案研究；虽然在具体的实施过程中还有一些问题需要进一步细化，但希望藉此能抛砖引玉；科技的发展一定是日新月异，相信在未来岩画保护会有更多新的突破。

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作者单位：中央民族大学民族学与社会学学院

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