Aus Ginkgo gewonnenen Kohlenstoff-Quantenpunkten als neuartiges Tracermittel zur Erkennung von Wasserdurchsickerung in Grotten

Verborgene Lecks bedrohen antike Steinwerke

Hoch an den Klippen über Chinas Flusstälern haben antike steinerne Buddhas und bemalte Grotten mehr als tausend Jahre überdauert. Einer ihrer größten modernen Feinde ist jedoch erstaunlich banal: Wasser, das langsam durch den Fels sickert. Zu wissen, woher dieses Wasser kommt und wie es sich im Inneren der Klippe bewegt, ist entscheidend zum Schutz dieser Schätze – und muss erfolgen, ohne den empfindlichen Stein zu schädigen. Diese Studie stellt einen neuen, pflanzenbasierten fluoreszierenden Tracer vor, der verborgene Wasserwege im Gestein sicher verfolgen kann und Konservatoren hilft, zuvor Unsichtbares sichtbar zu machen.

Ein neuer, sicherer, leuchtender Tracer

Konservatoren nutzen bereits verschiedene Werkzeuge – etwa Bodenradar und elektrische Messungen –, um Wasser im Stein aufzuspüren. Diese Techniken wurden jedoch hauptsächlich für Erdöl- und Grundwasseruntersuchungen entwickelt, nicht für empfindliche Kulturgüter, und bieten oft nicht die feine Auflösung, die komplexe Grottenwände erfordern. Eine andere Möglichkeit ist die Tracermethode: Man gibt eine nachweisbare Substanz in vermutete Wasserquellen und beobachtet, wo sie wieder austritt. Viele künstliche Tracer können jedoch flecken, mit dem Stein reagieren oder diesen anderweitig beschädigen. Die Forschenden wandten sich deshalb Kohlenstoff-Quantenpunkten zu – winzigen Kohlenstoffteilchen von nur wenigen Milliardsteln eines Meters, hergestellt aus gewöhnlichen Ginkgoblättern. Diese Partikel leuchten stark unter bestimmtem Licht, lösen sich leicht in Wasser und bestehen aus einfachen Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, was sie als schonende Tracer attraktiv macht.

Von Ginkgoblättern zu hellen Nano-Partikeln

Das Team stellte die Partikel mittels einer hydrothermalen Methode her, die für den praktischen Einsatz skalierbar ist. Frische Ginkgoblätter wurden gewaschen, mit deionisiertem Wasser vermischt und in einem verschlossenen Gefäß erhitzt, dann filtriert, zentrifugiert und gereinigt, bis eine klare, leuchtende Kohlenstoffpunkt-Flüssigkeit vorlag. Elektronenmikroskopie zeigte, dass die Teilchen typischerweise etwa 3 Nanometer breit waren – klein genug, um durch feine Poren und Risse im Sandstein zu passieren, ohne zu verklumpen. Chemische Tests zeigten zahlreiche wasseranziehende Gruppen an ihrer Oberfläche, die helfen, sie dispergiert zu halten, anstatt dass sie ausfallen. Die Punkte behielten ein starkes und stabiles Leuchten über einen Bereich von pH-Werten, Temperaturen und Wasserchemien, die denen natürlicher Durchsickerung rund um den Riesenbuddha von Leshan ähneln, einer massiven Felsstatue, die hier als realer Testfall diente.

Prüfung der Sicherheit für den Stein selbst

Um sicherzugehen, dass dieser neue Tracer den Stein nicht heimlich angreift, sammelten die Forschenden frischen Sandstein aus der Nähe des Riesenbuddha von Leshan. Sie zerkleinerten das Gestein, mischten es mit entweder reinem Wasser oder Tracerlösungen und verfolgten über zwei Wochen, wie Metallionen wie Kalzium, Magnesium, Natrium und Kalium ins Wasser übergingen. Wenn der Tracer mit den Mineralien reagiert hätte, hätte sich dies in veränderten Ionenkonzentrationen gegenüber reinem Wasser gezeigt. Stattdessen waren die Unterschiede so gering, dass sie durch normale Messunsicherheit erklärbar waren. Mit anderen Worten: Fast die gesamte chemische Aktivität stammte aus der Wechselwirkung von Wasser mit dem Gestein – nicht von den Kohlenstoffpunkten oder den beiden gängigen Vergleichsfarbstoffen Fluorescein und Rhodamin B. Das deutet darauf hin, dass die aus Ginkgo gewonnenen Punkte kaum neue Schäden verursachen, indem sie die Chemie oder Porenstruktur des Steins verändern.

Den Fluss durch Sandstein verfolgen

Als Nächstes untersuchte das Team, wie gut sich die Punkte zusammen mit Wasser im Gestein bewegen. Sie füllten eine durchsichtige Säule mit zerkleinertem Sandstein, sättigten sie mit Wasser und leiteten dann Lösungen entweder der Kohlenstoffpunkte, von Fluorescein oder von Rhodamin B hindurch. Durch das Sammeln des Wassers am Austritt und das Messen des Leuchtens über die Zeit erstellten sie „Durchbruchskurven“, die zeigen, wie schnell und vollständig jeder Tracer durch die Säule gelangt. Die Kohlenstoffpunkte und Fluorescein traten nach etwa einem Porenvolumen am Auslass auf und zeigten dann hohe, stabile Signale, bevor sie relativ schnell ausgewaschen wurden, sobald wieder reines Wasser eingeführt wurde. Rhodamin B kam dagegen später an, baute sich langsamer auf und blieb auch nach großen Mengen frischen Wassers noch zurück, was zeigt, dass es am Gestein haftet und sich in diesem Sandstein schlecht bewegt.

Was das für den Schutz von Grotten bedeutet

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass aus Ginkgo gewonnene Kohlenstoff-Quantenpunkte drei Schlüsselkriterien für sicheres Tracing in Grotten vereinen: Sie sind bei sehr geringen Mengen gut sichtbar, sie bewegen sich effizient mit durchsickerndem Wasser durch typischen Grotte-Sandstein, und sie interagieren kaum chemisch mit dem Gestein. Im Gegensatz zu kristallinen Salzen kristallisieren sie nicht in winzigen Rissen, und im Unterschied zu einigen Farbstoffen oder radioaktiven Tracern stellen sie ein minimales Risiko für den Stein oder die Umgebung dar. Das macht sie zu einem vielversprechenden neuen Werkzeug, um zu kartieren, wo Wasser eintritt, wie es sich bewegt und wo es an antiken Felsbildungen wieder austritt. Mit klareren Abbildungen dieser verborgenen Wasserwege können Konservatoren bessere Entwässerungs-, Abdichtungs- oder andere Schutzmaßnahmen entwerfen, die unersetzliche steinerne Kulturgüter für kommende Generationen bewahren.

Zitation: Sun, B., Shi, W., Ma, F. et al. Ginkgo-derived carbon quantum dots as a novel tracer for water seepage detection in grottoes. npj Herit. Sci. 14, 114 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02344-7

Schlüsselwörter: Konservierung von Kulturgut, Wasserdurchsickerung, Kohlenstoff-Quantenpunkte, Grotte Sandstein, fluoreszierender Tracer