Углеродные квантовые точки из листьев гинкго как новый трассер для обнаружения подтеков воды в гротах

Скрытые протечки, угрожающие древнему каменному искусству

На отвесных склонах над речными долинами Китая древние каменные Будды и расписные гроты сохраняются уже более тысячи лет. Тем не менее одним из их серьёзных современных врагов является удивительно повседневное явление: вода, медленно просачивающаяся через породу. Найти источник этой воды и проследить её пути внутри утёса крайне важно для защиты этих сокровищ — причём это нужно сделать, не нанося вреда хрупкому камню. В этой работе представляют новый растительный светящийся трассер, который безопасно отслеживает скрытые пути воды внутри породы и помогает реставраторам увидеть то, что было невидимо.

Новый безопасный светящийся трассер

Реставраторы уже используют разные средства — например, подземную радиолокацию и электрические съёмки — чтобы искать воду в камне. Однако эти методы в основном разрабатывались для нефтяных месторождений и гидрогеологических исследований, а не для деликатных объектов культуры, и часто не дают той тонкой детализации, которая нужна при сложной структуре стен гротов. Другой вариант — метод трассеров: вводят обнаруживаемое вещество в предполагаемые источники воды и отслеживают, где оно появляется. Но многие синтетические трассеры могут окрашивать, реагировать или иным образом повреждать старую породу. В этой работе исследователи обратились к углеродным квантовым точкам — крошечным частицам углерода размером в несколько миллиардных долей метра, полученным из обычных листьев гинкго. Эти точки сильно светятся при определённом освещении, легко растворимы в воде и состоят из простых элементов — углерода, водорода, кислорода и азота — что делает их привлекательными в качестве бережных трассеров.

От листьев гинкго до ярких нано-частиц

Команда получила точки гидротермальным методом, который можно масштабировать для полевых работ. Свежие листья гинкго промывали, смешивали с деионизированной водой и нагревали в герметичной ёмкости, затем фильтровали, центрифугировали и очищали, получая прозрачную светящуюся жидкость с углеродными точками. Электронная микроскопия показала, что частицы обычно имеют диаметр около 3 нанометров — достаточно малы, чтобы пройти через тонкие поры и трещины в песчанике, не образуя агломератов. Химические анализы выявили множество гидрофильных групп на их поверхности, что помогает им оставаться диспергированными, а не оседать. Точки сохраняли сильное и стабильное свечение при диапазоне кислотности, температур и химии воды, сходных с условиями естественных подтеков вокруг гигантской статуи Лэшаньского Будды, которую использовали в качестве реального полевого примера.

Проверка безопасности для самой породы

Чтобы убедиться, что новый трассер не разрушает породу, исследователи собрали свежий песчаник в районе Лэшаньского Будды. Они раздробили камень, смешали его либо с чистой водой, либо с растворами трассеров и вели наблюдение за выделением ионов металлов — таких как кальций, магний, натрий и калий — в воду в течение двух недель. Если бы трассер вступал в реакцию с минералами, это изменило бы уровни этих ионов по сравнению с простой водой. Вместо этого различия были настолько малы, что укладывались в обычную погрешность измерений. Иными словами, почти вся химическая активность происходила за счёт взаимодействия воды с породой — а не из-за углеродных точек или двух распространённых сравниваемых красителей, флуоресцеина и родамина B. Это указывает на то, что полученные из гинкго точки вряд ли вызовут новые повреждения путём изменения химии или поровой структуры камня.

Отслеживание течения через песчаник

Далее команда изучила, насколько хорошо точки перемещаются вместе с водой внутри породы. Они засыпали прозрачный столб дроблёным песчаником, увлажнили его и затем пропускали растворы либо с углеродными точками, либо с флуоресцеином, либо с родамином B. Собирая воду на выходе и измеряя её свечение во времени, они построили «кривые прорыва», показывающие, как быстро и насколько полно каждый трассер проходит через колонку. Углеродные точки и флуоресцеин появились на выходе примерно после объёма потока, равного объёму пор, и затем поддерживали сильный, стабильный сигнал, прежде чем достаточно быстро вымываться после возвращения чистой воды. Родамин B, напротив, приходил позже, накапливался медленнее и задерживался даже после пропуска больших объёмов свежей воды, показывая, что он прилипает к породе и плохо перемещается в этом песчанике.

Что это означает для защиты гротов

В совокупности результаты показывают, что углеродные квантовые точки из гинкго объединяют три ключевых свойства, необходимых для безопасного трассирования в гротах: они ярко детектируются в очень низких концентрациях, эффективно перемещаются вместе с просачивающейся водой через типичный песчаник гротов и почти не взаимодействуют химически с породой. В отличие от кристаллических солей, они не кристаллизуются в микротрещинах, а в отличие от некоторых красителей или радиоактивных трассеров представляют минимальный риск для камня и окружающей среды. Это делает их перспективным новым инструментом для составления карт — где вода входит, как она движется и где выходит в древних скальных рельефах. С более ясной картиной этих скрытых водных путей реставраторы смогут лучше проектировать дренажные, герметизирующие или другие защитные меры, чтобы сохранять невозместимое каменное наследие для будущих поколений.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сохранение культурного наследия, подтекание воды, углеродные квантовые точки, песчаник гротов, флуоресцентный трассер