Функционализация и расширение применения нано-Ca(OH)2, реализованные через трёхфазные функциональные композитные материалы AC33-Ca(O)2/Bi4Ti3O12

Спасая выцветающие фрески

По всему миру древние настенные росписи тихо разрушаются под комбинированным воздействием перепадов температур, влажности, загрязнения воздуха и атакующих микроорганизмов. Реставраторы балансируют на тонкой грани: любое вмешательство должно укреплять хрупкую штукатурку и краску, не создавая при этом герметичной оболочки, в которой задержанная влага вызовет новые повреждения. В этом исследовании предложено новое умное «нанокомпозитное» покрытие, предназначенное для укрепления фресок, обеспечения их «дыхания» и активной борьбы с бактериями и грибами, разрушающими ценные произведения искусства.

Почему традиционные решения недостаточны

В течение многих лет реставраторы опирались на два основных средства. Первое — наногашение, крошечные частицы гидроксида кальция, которые химически соединяются со штукатуркой и со временем превращаются в карбонат кальция, подобно оригинальному составу стен. Второе — акриловый продукт AC33, образующий прочную прозрачную пленку, быстро фиксирующую осыпающуюся краску. У каждого есть недостатки: обычное наногашение может слипаться, проникать неравномерно и мало противостоять микробам, тогда как один только AC33 способен создать почти водонепроницаемую пленку, блокирующую водяной пар. Со временем такая задержка влаги может вызывать вздутия, солевые повреждения и новые трещины, подрывая те самые фрески, которые он должен был сохранить.

Создание более умных «нанокирпичиков»

Исследователи подошли к этим проблемам с самого начала, переработав минеральные строительные блоки. Сначала они получили качественный нано-гидроксид кальция контролируемой шестиугольной пластинчатой формы диаметром около 100 нанометров. По сравнению с коммерческими известковыми порошками эти частицы гораздо лучше диспергировались в спирте, оставались стабильными в суспензии как минимум в течение суток и легче проникали в тонкие поры штукатурки. Улучшенный контакт со стеной привёл к повышению изгибной прочности и минимальной потере поверхностного материала, при этом цвет и паропроницаемость тестовых фресок оставались по существу неизменными.

Добавление светозависимого щита

Далее команда ввела второй компонент: титанат висмута (Bi4Ti3O12), синтезированный в виде мелких пластинчатых частиц методом расплавов-солей. Эти частицы поглощают практически весь входящий ультрафиолет, оставаясь при этом относительно прозрачными для видимого света — идеальное сочетание для защиты пигментов без их затемнения. Критично, что под светом они действуют как фотокатализаторы, генерируя высокореактивные формы кислорода, способные разрушать органические молекулы и микробы. Совместный рост наногашения и титаната висмута обеспечил плотный контактный «гетеростык», в котором световые носители заряда эффективно разделяются, а не рекомбинируют впустую. В испытаниях с модельным красителем и с типичными захватчиками фресок — Escherichia coli и грибом Aspergillus niger — эти смешанные частицы разлагали краситель и уничтожали до 99% микробов при определённых соотношениях смешения.

Сочетание минеральной прочности с деликатным клеем

Чтобы перенести эти наноуловки в реальный консолидационный состав, авторы внедрили минеральный гетеростык в знакомый акрил AC33, используя силиконовое добавление (PDMS), которое делает поверхности более отталкивающими воду и химически стойкими. В результате получился трёхфазный градиентный материал: внешняя органическая пленка, удерживающая осыпающуюся краску; сеть наногашения и титаната висмута, проникающая в штукатурку ниже; и открытые каналы, позволяющие частично выводить водяной пар. Тщательная настройка соотношений смешения оказалась критически важной. При соотношении AC33 к минералам 20:1 имитированные фрески приобрели примерно в 2,5 раза большую изгибную прочность по сравнению с образцами, обработанными только наногашением, почти не теряли материал при тестах на отслоение и при этом демонстрировали лишь незначительные цветовые сдвиги, которые ниже порога лёгкого восприятия глазом. Хотя акрил всё ещё снижает «дышаемость» по сравнению с голой штукатуркой, добавление минеральных частиц сохраняет значительно большую проницаемость, чем чистые пленки AC33.

Что это значит для реальных фресок

С точки зрения реставратора наиболее многообещающая формула вела себя как многофункциональная страховочная сеть. Она укрепляла ослабленную штукатурку, удерживала порошащуюся краску, блокировала вредный УФ‑свет и обеспечивала устойчивую антибактериальную и антифунгальную активность, при этом сохраняла изменения цвета и препятствие влаге в приемлемых пределах. После шести месяцев естественного старения в лаборатории обработанные тестовые фрески оставались целыми и не демонстрировали явных новых трещин или потери пигмента. Практически это исследование указывает на новое поколение «умных» консолидирующих материалов, которые делают больше, чем просто «склеивание» старых стен: они активно помогают фрескам противостоять свету, микробам и времени, предлагая более сбалансированный долгосрочный подход к сохранению живописного наследия.

Цитирование: Qin, Y., Shi, LK., Kou, YT. et al. Functionalization and application expansion of nano-Ca(OH)₂ realized via three-phase AC33-Ca(O)₂/Bi₄Ti₃O₁₂ functional composite materials. npj Herit. Sci. 14, 289 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02541-4

Ключевые слова: реставрация фресок, наногашение, антимикробное покрытие, культурное наследие, фотокаталитические материалы