...三大造型難題 實驗性使用方法大成功
張嘉馨
摘 要：巖畫承載著人類遠古的歷史和文化，但由于自然風化和環境破壞巖畫日漸斑駁模糊。本文探討了納米材料在巖刻類巖畫保護應用中的可行性和優勢；希望納米材料的應用和開發能夠守護古老的巖畫遺存。
關鍵詞：巖畫保護 防風化 納米材料 具茨山巖畫
一、巖畫風化與保護現狀
1.巖石的風化類型
巖石是巖畫的物質載體；具體而言，巖石的風化類型有：物理風化、化學風化、生物風化三種類型，不同類型的風化其產生原因和導致的結果各不相同；對巖畫本身產生的破壞方式也有所差異。
（1）巖石的物理風化：巖石物理風化的主要因素有干濕過程、冷熱過程和凍融過程；物理風化對巖石的主要破壞原理在于水冰相互轉化過程中引起的熱脹冷縮，導致巖體內部產生較大的內應力，在物理風化的長期作用下使得巖體的強度下降，結構遭到破壞。
（2）巖石的化學風化：巖石的化學風化主要是指巖石與外部環境中的大氣、水分等發生化學反應，形成新的化學物質和礦物質，從而使巖體遭到侵蝕破壞；化學風化的主要形式有：溶解作用、水化作用、氧化作用、碳酸化作用、堿化作用等。
（3）巖石的生物風化：巖石的生物風化主要是指動植物的生命活動對巖石的破壞作用；例如：植物的根系在巖石中生長時的膨脹作用，及根系中有機酸、真菌、細菌、地衣等微生物的生命活動對巖體的侵蝕等。
2.巖刻類巖畫的傳統保護方式與保護現狀
自中國巖畫發現100年以來，特別是90年代之后；巖畫的價值日益受到重要，保護也隨之有所發展；但就各個地區的巖畫保護措施而言，主要是建立巖畫保護區（寧夏賀蘭山、連云港將軍崖、河南具茨山、珠海寶鏡灣等）；或文管部門定期檢查（浙江仙居等）。
（1）建立巖畫保護區：保護區的建設有效防止了涂鴉、刻畫、偷盜等人為因素對巖畫造成的破壞，但并未能有效防止巖體的風化。
（2）搭建巖畫保護掩體：在巖畫上搭建小型建筑對巖畫進行遮蔽和保護，雖然能有效防止風蝕、水蝕、酸雨等風化要素，但對巖畫所在的原生自然景觀有負面影響，往往新搭建的保護建筑與周邊自然環境不能有效協調；也使人們難以近距離接近巖畫，進行觀察（內蒙古烏海巖畫）。
（3）有機硅涂層對巖體進行防風化處理：2005年連云港將軍崖巖畫用有機硅材料對巖體進行了防風化處理。有機硅具有良好的憎水性，加之，將軍崖巖畫位于近海地帶，濕度大、地下土層鹽分高，有機硅的疏水性使得巖體內部由于水分的交換不暢產生內應力，易對巖體造成破壞。
二、納米二氧化硅復合二氧化鈦的特性及防風化實驗
納米材料通常是指粒徑在1nm到10nm之間的材料，因其粒徑過小而具有界面效應、小尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，從而改變了材料的性能，具備了新的物理和化學特性。當材料在納米尺度時，材料的表面相會影響到材料的性質。同時，在納米材料中電子相關性很強，能級分裂和電子布局的改變、量子隧道和輸運的不同以及材料中的激發態都會對納米材料的性能產生影響。其中納米材料的小尺寸效應和宏觀量子隧道效應，使其與其他材料（如高分子聚合物）中不飽鍵的電子云發生作用，進而與材料中的大分子相互結合形成立體的網狀，這大幅度提高了材料的強度、韌性、延展性，使材料具有極強的耐腐蝕抗氧化性。
納米二氧化硅（SiO？）粒徑很小，表面吸附力強、表面能大、分散性能好，廣泛應用于航空航天、醫學、防護涂層等領域。具體到保護涂層而言，納米二氧化硅不僅具有良好的韌性和耐候性；還具有三維網狀結構、擁有龐大的比表面積、表現出極大的活性、能在涂層干燥時形成網狀結構，從而增加了涂層的強度和通透性。同時，納米氧化硅還具有良好的生物親和性。
1.提高強度和耐候性
通過納米材料的覆蓋，形成保護層，有利于提高巖面的強度，增加抗擊打的能力，有效抵制雨水、沙塵等產生的撞擊力而帶來的破壞；同時，保護層對于周邊環境的波動、溫差帶來的巖體張力、濕氣、鹽分的滲入具有一定的隔離效果，從而提高了巖體的耐候性。
2.透明及防遮蓋性
涂層厚度：根據SEM照片顯示，將納米材料涂在具有氧化層的硅片上，涂抹三層的厚度約為300nm。也即平均每層僅為100nm。同時，納米材料的粒徑都小于100mn，而可見光的波長則為400mn至750nm，因此根據Mie理論可知納米級材料相對于可見光而言是透明的。基于納米材料良好的透明性和防遮蓋性將其涂在巖畫表面不會改變巖畫的視覺效果和原有性狀。
3.良好的親水性
傳統的有機材料（例如連云港將軍崖使用的有機硅）與巖體的相容性尚待提高，首先：巖石本身的親水性和有機保護膜之間憎水性的矛盾會導致巖體產生應力破壞；即：表層的憎水性使石頭的內外層產生顯著的溫度、濕度梯度從而造成應力破壞。保護材料的憎水性越大，界面應力越集中，破壞速度也越快；同時，巖石的強度越小、吸水率越高，也更易于遭到破壞。其次：在干濕循環過程中，被保護部分的憎水性和巖石基底親水性的物理性質差異及界面應力也會對巖體內部造成破壞。第三：傳統有機材料的保護膜阻止了可溶性鹽分在巖體內部和表面的遷移，鹽的結晶應力可以頂破保護層，甚至漲破巖體的表層組織，使巖體呈粉狀剝落。
4.良好的透氣性
透氣性是指保護材料在阻止外界液態水進入巖體的同時，也可以讓巖體內部的水分通過氣體的形式從內部散發出來，使得巖體內外的濕度達到一個相對平衡的狀態。就原生的巖體本身而言，其自身的毛細孔就可以保證巖體與外界的水汽交換；一旦使用了高分子保護材料，由于材料的憎水性，使得巖體內部與外部不能進行有效的水氣交換，進而對巖體產生破壞。但納米材料，基于其表面相和良好的透氣、透水性可以保證巖體內部與外部的水氣交換。
5.防紫外線、抗老化性
紫外線是一種比可見光光波短的電磁波，波長越短、能量越大、危害也就越大，因此，紫外線也是造成巖面風化的重要原因之一。納米材料的表面效應和量子尺寸效應（納米顆粒的量子尺寸效應使其在吸光時產生“寬化” 和“藍移”現象進而增強了對紫外線的吸收作用。）對光有良好的吸收作用。
6.自清潔功能
光催化功能的研究發現：在日光的紫外線作用下，納米二氧化鈦被激活并生成具有高催化活性的游離基，能產生很強的光氧化及還原能力，可催化、光解附著于物體表面的各種有機物及部分無機物，利用氧化鈦的光催化反應可以把吸附在氧化鈦表面的有機污染物分解為自然揮發的CO2和O2，剩余的無機物可被雨水直接沖刷干凈，從而實現自清潔功能。（同時，納米二氧化鈦可成為親水性和親油性兩相共存的“二元協同納米界面”。）
三、納米涂層保護技術在具茨山巖畫中初步的實驗性應用
具茨山位于河南省新鄭市辛店鎮，為中岳嵩山之余脈，東西長2公里，南北寬1.5公里，面積3平方公里，海拔793米，相對高度540米。《莊子·徐無鬼》載：“黃帝見大隗于具茨之山。”酈道元《水經注》記載：“黃帝登具茨山，升于洪堤上，受《神芝圖》于華蓋童子，即是山也。”；具茨山凹穴巖畫用敲鑿法而成，“由于沒有確鑿的考古學依據，我們只能把中原早期凹穴巖畫的時代粗略地限定在 BP11000 ～ 6000 年之間。雖然這種交叉斷代仍然不能準確反映中原凹穴巖畫，也包括我國其他地區凹穴巖畫的絕對年代，但至少我們可以了解凹穴巖畫的古老性，及其大致的延續時間。”
四、對于不同地區的巖畫保護與納米涂層制備的探索
在使用納米材料對巖刻類巖畫進行保護的時候，要注意“因地制宜”，根據不同地區巖石的性質和所處的自然地理環境，及其風化要素的分析，對納米材料的配置在實驗室中進行相應的調整。
1.根據巖石本身的物理性質、透氣性、含水性等，對納米涂層的制備進行調整；同時要著重注意巖石的張力與涂層之間的張力相匹配，避免因二者張力不一致造成的破壞。在納米材料的硬度方面，要注意材料的熱脹系數與巖石的熱脹系數要接近；如果材料硬度低，延展伸縮性好，與巖體的熱脹系數保持一致，就不會因涂層與巖體的熱脹系數不同產生的應力而導致巖體表面的剝落現象。
2.增強材料的親水性和透氣性，促進巖面與自然界的水汽交換；避免所保護巖石的小生態環境部受到破壞。
* 把握水（潮氣）在巖體內外的運移和相變情況，避免干濕循環本身產生的和由此引發的應力破壞；
* 掌握可溶鹽在巖石內部的運移情況，注意巖體脫鹽和隔離鹽的來源；
3.考量日照因素，根據巖畫所處地域的日照情況和數據分析，增加納米二氧化鈦的含量，提高防紫外線的能力。
4.分析巖畫點所在周邊環境中，造成化學腐蝕的主要來源與物質；如酸雨中的二氧化硫、霧霾中的氮氧化物、塵降中的有害化學物質等；針對不同地區主要化學腐蝕物質的來源不同，對納米材料的合成進行調整。
結語
面對斑駁疏離的圖像，對巖畫進行防風化保護將為以后的斷代和學術研究提供條件和基礎；本文借用納米材料對巖畫本體的保護進行了初步的實驗和探索，并以具茨山巖畫為依托進行了個案研究；雖然在具體的實施過程中還有一些問題需要進一步細化，但希望藉此能拋磚引玉；科技的發展一定是日新月異，相信在未來巖畫保護會有更多新的突破。
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作者單位：中央民族大學民族學與社會學學院
