水凝胶新用途,为“世界上最昂贵”的油画清灰!

最近《我在故宫修文物》热播引发了大家对于文物保护这样一个冷门行业的关注。从故宫文物到敦煌壁画,从文艺复兴画作到现代艺术品,无一不落满了岁月的尘霜。文物保护的第一步,便是文物清理,为那些穿越时间的美丽拂去身上的尘土。文物清理需要足够的耐心,细心和轻巧的技艺,才能够规避可能对文物造成的损伤。传统的方法耗费大量的人力物力,溶剂和清洁剂等传统手段来清理表面的灰尘等杂质时往往会与颜料作用而破坏作品。尤其是对于近代高粗糙度的画作,利用传统手段均匀清洗不仅无法将杂质完全去除,而且容易使之溶胀。现代科技的发展,为文物保护工作注入了新的力量。

在此前,佛罗伦萨大学Piero Baglioni组曾制备出包裹纳米级溶剂液滴水凝胶,这种水凝胶可以清除纸上艺术品上的胶带。然而,这种水凝胶对现代艺术如文森特·梵高和巴勃罗·毕加索创造的有纹理的绘画艺术手足无措。

在此前的研究基础上,Piero Baglioni组进一步通过冷冻-溶解(FT)循环共混高、低分子量聚乙烯醇(PVA)制备出一种海绵状多孔水凝胶(双链聚合物网络水凝胶-TC-PNs)。高分子量和低分子量聚合物的结合形成了海绵状的结构,在材料中存在相互连接的微米级孔隙。这种连通的孔隙使得所捕获的污垢能够通过整个凝胶体进行运输。微孔的小尺寸保证了不会有大量的水扩散到油漆里,而材料的可塑性和延展性确保它在纹理表面的任何不规则处可进行模压。该文章以《Twin-chain polymer hydrogels based onpoly(vinylalcohol) as new advanced tool for the cleaning of modern and contemporary art》为题发表在顶级期刊PNAS上。

1.制备原理:

通过循环冷冻制备的过程中,由于高、低聚合物PVA(H-PVA,L-PVA)和水发生相分离。由于水在结晶过程中产生的挤压力,将PVA链段富集起来,形成网状连接点。冰晶则形成孔状通道。由于多次冻结过程中冰的膨胀,当FT循环次数越高,孔隙截面越大时,孔壁方向性生长也越明显。一些气孔融合在一起,形成海绵状的无序结构。由于L-PVA的水溶性比H-PVA强,在冷冻阶段不会发生进一步的相分离,因此在循环冷冻过程中,L-PVA都被限制在水囊中。形成了如图所示的结构。

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图1. 高低分子量PVA(H-PVA/L-PVA)系统的荧光共聚焦显微镜图像。H-PVA用FITC标记为绿色,L-PVA用RBITC标记为红色。

2. 凝胶特性

pHEMA/PVP凝胶的G值为4-5×103 Pa,而本文的TC-PNs凝胶的G模量是pHEMA/ PVP的4至5倍,而且表现出很好的可塑性和延伸性能。因此,制备的PVA凝胶能够适应粗糙的绘画表面,而pHEMA/PVP刚度过大无法渗入纹理中。这种特性提高了PVA凝胶的清洁功效。与纯PVA网络相比,TC-PNs凝胶具有更好的延展性,可以更好地附着在涂漆表面,产生更均匀的清洁效果。此外,由于L-PVA的水解程度低于H-PVA,在孔隙表面涂上L-PVA可以使材料更有效地吸附疏水性颗粒,提高颗粒的吸收率。

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图2. PVA凝胶的流变学测量和外观

3. 功效评估

作者将TC-PNs凝胶与常规清洁方法进行了比较。图中表明,当使用传统的清洁材料(和凝胶使用同样的清洁溶剂),由于重复的机械摩擦和保水性差,最终导致了颜料的溶解和损失。而当我们使用TC-PNs凝胶清洁时,它可以便捷快速地除去表面尘土而不损伤表面。

作者还通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)成像进一步评估凝胶清洁效果。清洁样品的光谱与原始模型的模型(图3B)一致,表明有效的去污效果。此外,在原始样品和清洁样品之间,OH吸光度强度没有显着差异(图7C),即无明显PVA的残留在表面上。而传统增稠剂(例如,聚丙烯酸,纤维素醚)会留下残留物,清洗后需要进行进一步冲洗。

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图3. PVA凝胶和传统清洁方法的清洁效力对比。

在这些双链聚合物凝胶和传统清洁材料之间的测试中,新材料可更多的去除艺术品中的污垢,并更好地恢复了它们原来的亮度。并且在威尼斯佩吉·古根海姆(Peggy Guggenheim)收藏的两幅画作上进行了测试。

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图4. 波洛克作品的清理。

此后,水凝胶被用来成功地修复杰克逊·波洛克(美国画家,抽象表现主义绘画大师,也被公认为是美国现代绘画摆脱欧洲标准,在国际艺坛建立领导地位的第一功臣,2006年11月3日,波洛克的一幅作品《1948年第5号》拍卖出全球绘画作品最高价,达1.4亿美元(约合1.096亿欧元))的两幅杰作,Two和 Eyes in the Heat。这两幅作品展示了从传统绘画艺术到的3D表面的过渡。波洛克通过滴水技术绘制具有纹理的表面。此外,Two仅使用油漆制成,而Eyes in the Heat则使用的油和醇酸颜料,这两种颜料对溶剂十分敏感。这些综合原因使常规清洁工具去除污垢特别具有挑战性和风险,而使用凝胶去除污垢使得原始颜料色相重现(图4 A和D)

据该团队表示,清洁工作的成功代表着文化遗产保护向前迈出了重要的一步,并有望为子孙后代更好地保护珍贵的艺术品。

全文链接:

https://www.pnas.org/content/early/2020/03/03/1911811117

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