石窟の浸水検出のための新規トレーサーとしてのイチョウ由来カーボン量子ドット

古代石造芸術を脅かす見えない浸水

中国の渓谷上の崖に刻まれた古い石仏や彩色された石窟は、千年以上の歳月を耐えてきました。しかし現代における最大の脅威の一つは意外に日常的なものです：岩石をゆっくりと浸透する水です。水がどこから来ているのか、崖内部でどのように移動しているのかを突き止めることは、これらの宝物を守るために不可欠ですが、脆弱な石材を損なうことなく行わなければなりません。本研究は、植物由来の新しい発光トレーサーを導入し、岩内部の見えない水路を安全にたどることで、保存担当者がこれまで見えなかった流れを可視化できるようにします。

安全性の高い新しい発光トレーサー

保存作業では、地下レーダーや電気探査などさまざまな手法がすでに用いられています。しかしこれらの技術は主に油田や地下水調査を念頭に設計されており、繊細な文化財現場には過剰だったり、複雑な石窟の壁で求められる細かな解像度を欠くことが多いのです。別の手法としてはトレーサー法があり、疑わしい水源に検出可能な物質を加え、その放出先を追跡します。ただし、多くの人工トレーサーは古い石材を染みや反応で損ねる恐れがあります。本研究では、一般的なイチョウの葉から作られるカーボン量子ドット（数ナノメートル級の微小な炭素粒子）に着目しました。これらのドットは特定の光で強く発光し、水に溶けやすく、炭素・水素・酸素・窒素といった単純な元素を基にしているため、穏やかなトレーサーとして有望です。

イチョウ葉から明るいナノ粒子へ

チームはハイドロサーマル法を用いてドットを合成し、実地での応用に拡張可能な方法としました。新鮮なイチョウの葉を洗浄して脱イオン水と混ぜ、密閉容器で加熱し、その後ろ過、遠心分離、精製して透明で発光するカーボンドット溶液を得ました。電子顕微鏡観察では粒子径は典型的に約3ナノメートルで、砂岩内部の微細な孔隙や亀裂を団子化せずに通過できるほど小さいことが示されました。化学的検査では表面に多くの親水性基があり、沈降せず分散したままでいることがわかりました。これらのドットは、峨眉山の巨大な崖像であるレイシャン大仏周辺の自然浸出水で見られるようなpH、温度、水質の範囲で強く安定した発光を維持しました（本研究では実地試験ケースとしてここを使用しています）。

岩石への安全性の検証

この新しいトレーサーが岩石をひそかに侵食しないかを確認するため、研究者らはレイシャン大仏近辺から新しい砂岩を採取しました。岩石を粉砕し、純水またはトレーサー溶液と混合して、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウムなどの金属イオンが2週間にわたり水中にどのように溶出するかを追跡しました。もしトレーサーが鉱物と反応しているなら、これらのイオン濃度は純水と比べて変化するはずです。ところが、違いは測定誤差で説明できる程度に小さく、ほとんどの化学的変化は水と岩石の相互作用によるもので、カーボンドットや比較用の蛍光色素（フルオレセイン、ローダミンB）によるものではありませんでした。これは、イチョウ由来のドットが岩石の化学組成や孔構造を変化させて新たな損傷を引き起こす可能性が低いことを示しています。

砂岩内部での流れの追跡

続いて、ドットが岩内の水とともにどの程度移動するかを調べました。透明なカラムに粉砕砂岩を詰めて飽和させ、カーボンドット、フルオレセイン、ローダミンBの各溶液を流入させました。出口から採取した水の発光を時間的に測定することで、各トレーサーがカラムをどれだけ速く、どれだけ完全に通過するかを示す「ブレークスルー曲線」を作成しました。カーボンドットとフルオレセインはおおむね一ポア体積の流れで出口に現れ、その後は高く安定した信号を示し、純水に切り替えると比較的速やかに洗い流されました。対照的にローダミンBは到達が遅く蓄積がゆっくりで、多量の新鮮な水が流れても残留し続き、この砂岩では岩に付着して移動性が低いことを示しました。

石窟保護への示唆

総合すると、イチョウ由来のカーボン量子ドットは、石窟で安全にトレースするために必要な三つの主要な特性を兼ね備えています：極めて低濃度でも強く可視化できること、典型的な石窟砂岩中の浸水とともに効率よく移動すること、そして岩石とほとんど化学的に相互作用しないことです。結晶性の塩類とは異なり微小な亀裂で結晶化することはなく、いくつかの染料や放射性トレーサーと違って石材や周囲環境へのリスクも最小限です。これにより、水がどこから入り、どのように移動し、どこで出るかをマッピングするための有望な新しい手段となります。これらの隠れた水路をより明確に描き出せれば、保存担当者は排水や封止、その他の保護対策を設計して、かけがえのない石造遺産を世代を超えて守る力を得るでしょう。

引用: 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

キーワード: 文化遺産保存, 浸水, カーボン量子ドット, 石窟砂岩, 蛍光トレーサー