通过三相AC33-Ca(O)2/Bi4Ti3O12功能复合材料实现纳米Ca(OH)2的功能化与应用拓展

拯救褪色的壁画

世界各地的古老壁画在温度和湿度变化、空气污染以及入侵微生物的共同侵袭下正悄然风化。修复人员走在一条细绳上：任何处理既要加固脆弱的灰泥和颜料，又不能把墙面密封得过死，以免被困的水分引起新的损伤。本研究提出了一种新型“纳米复合”智能涂层，旨在加固壁画、保持其呼吸性，并主动抑制侵蚀珍贵艺术品的细菌和真菌。

为何传统修复手段不够

多年来，修复界主要依赖两类助剂。一类是纳米石灰，即微小的氢氧化钙颗粒，能与灰泥发生化学反应并转化为碳酸钙，类似原始墙体的成分。另一类是名为AC33的丙烯酸类产品，能形成坚固、透明的薄膜迅速固定松散的颜料。各有缺点：普通纳米石灰易团聚、渗透不均且对微生物作用有限；而单独使用AC33可能形成近乎防水的表层，阻止水蒸气进出墙体。随着时间推移，被困的水分可能导致膨胀、盐害和新的开裂，破坏了其本应保护的壁画。

构筑更聪明的“纳米砖”

研究者从根本上重新设计了矿物构件。他们首先制备出高质量的纳米氢氧化钙，呈受控的六角形片状，尺寸约为100纳米。与市售石灰粉相比，这些颗粒在醇类溶剂中分散性更好、悬浮稳定至少一天，并更容易进入灰泥的细孔。这种与墙体更好的接触转化为更高的抗弯强度和极少的表面材料损失，同时在测试壁画上几乎不改变颜色和水蒸气通透性。

加入光驱动的防护层

接着，团队引入了第二种成分：铋钛酸盐（Bi4Ti3O12），通过熔盐法制备为微小片状颗粒。这些颗粒能够吸收几乎所有的紫外线，同时对可见光保持相对透明，是保护颜料而不使其变暗的理想组合。更重要的是，在光照下它们具有光催化性能，可产生高活性的氧化物种，分解有机分子并杀灭微生物。通过将纳米石灰与铋钛酸盐共同生长，科学家构建了紧密接触的“异质结”，使光生电荷能被高效分离而非消散。在对染料污染物及常见壁画侵染物——大肠杆菌和黑曲霉的实验中，这种混合颗粒在一定配比下能降解染料并杀灭多达99%的微生物。

将矿物强度与温和粘合剂结合

为了把这些纳米尺度的特性转化为可用于实际修复的固结剂，作者将矿物异质结掺入常用的AC33丙烯酸体系，并辅以一种使表面更疏水和化学稳定的硅氧烷成分（PDMS）。其结果是一个三相梯度材料：外层有机薄膜抓牢松散颜料，内部为渗入灰泥的纳米石灰与铋钛酸盐网络，并保留一些允许水蒸气排出的开放通道。配比的精确调控至关重要。在AC33与矿物比为20:1时，模拟壁画的抗弯强度约为仅用纳米石灰处理样品的2.5倍，剥离测试中几乎没有材料损失，同时色差极小，低于肉眼易觉察的阈值。尽管该丙烯酸体系仍降低了相较裸灰泥的透气性，但加入矿物颗粒后，其透气性显著优于纯AC33薄膜。

对真实壁画的意义

从修复者的角度来看，最有前景的配方表现得像一个多功能的安全网。它加固了弱化的灰泥，固定了粉化的颜料，阻挡有害紫外线，并保持强效的抗菌与抗真菌活性，同时把颜色变化和湿气阻隔控制在可接受范围内。经过六个月的实验室自然老化，处理过的测试壁画保持完好，未见明显的新裂纹或颜料脱落。在实践层面，该研究指向了新一代“智能”固结材料：它们不仅仅把老墙粘合在一起，而是主动帮助壁画抵御光照、微生物和时间，为保护绘画遗产提供更平衡、长期的方案。

引用: 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

关键词: 壁画保护, 纳米石灰, 抗菌涂层, 文化遗产, 光催化材料