水凝膠新用途,為“世界上最昂貴”的油畫清灰!

最近《我在故宮修文物》熱播引發瞭大傢對於文物保護這樣一個冷門行業的關註。從故宮文物到敦煌壁畫,從文藝復興畫作到現代藝術品,無一不落滿瞭歲月的塵霜。文物保護的第一步,便是文物清理,為那些穿越時間的美麗拂去身上的塵土。文物清理需要足夠的耐心,細心和輕巧的技藝,才能夠規避可能對文物造成的損傷。傳統的方法耗費大量的人力物力,溶劑和清潔劑等傳統手段來清理表面的灰塵等雜質時往往會與顏料作用而破壞作品。尤其是對於近代高粗糙度的畫作,利用傳統手段均勻清洗不僅無法將雜質完全去除,而且容易使之溶脹。現代科技的發展,為文物保護工作註入瞭新的力量。

在此前,佛羅倫薩大學Piero Baglioni組曾制備出包裹納米級溶劑液滴水凝膠,這種水凝膠可以清除紙上藝術品上的膠帶。然而,這種水凝膠對現代藝術如文森特·梵高和巴勃羅·畢加索創造的有紋理的繪畫藝術手足無措。

在此前的研究基礎上,Piero Baglioni組進一步通過冷凍-溶解(FT)循環共混高、低分子量聚乙烯醇(PVA)制備出一種海綿狀多孔水凝膠(雙鏈聚合物網絡水凝膠-TC-PNs)。高分子量和低分子量聚合物的結合形成瞭海綿狀的結構,在材料中存在相互連接的微米級孔隙。這種連通的孔隙使得所捕獲的污垢能夠通過整個凝膠體進行運輸。微孔的小尺寸保證瞭不會有大量的水擴散到油漆裡,而材料的可塑性和延展性確保它在紋理表面的任何不規則處可進行模壓。該文章以《Twin-chain polymer hydrogels based onpoly(vinylalcohol) as new advanced tool for the cleaning of modern and contemporary art》為題發表在頂級期刊PNAS上。

1.制備原理:

通過循環冷凍制備的過程中,由於高、低聚合物PVA(H-PVA,L-PVA)和水發生相分離。由於水在結晶過程中產生的擠壓力,將PVA鏈段富集起來,形成網狀連接點。冰晶則形成孔狀通道。由於多次凍結過程中冰的膨脹,當FT循環次數越高,孔隙截面越大時,孔壁方向性生長也越明顯。一些氣孔融合在一起,形成海綿狀的無序結構。由於L-PVA的水溶性比H-PVA強,在冷凍階段不會發生進一步的相分離,因此在循環冷凍過程中,L-PVA都被限制在水囊中。形成瞭如圖所示的結構。

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圖1. 高低分子量PVA(H-PVA/L-PVA)系統的熒光共聚焦顯微鏡圖像。H-PVA用FITC標記為綠色,L-PVA用RBITC標記為紅色。

2. 凝膠特性

pHEMA/PVP凝膠的G值為4-5×103 Pa,而本文的TC-PNs凝膠的G模量是pHEMA/ PVP的4至5倍,而且表現出很好的可塑性和延伸性能。因此,制備的PVA凝膠能夠適應粗糙的繪畫表面,而pHEMA/PVP剛度過大無法滲入紋理中。這種特性提高瞭PVA凝膠的清潔功效。與純PVA網絡相比,TC-PNs凝膠具有更好的延展性,可以更好地附著在塗漆表面,產生更均勻的清潔效果。此外,由於L-PVA的水解程度低於H-PVA,在孔隙表面塗上L-PVA可以使材料更有效地吸附疏水性顆粒,提高顆粒的吸收率。

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圖2. PVA凝膠的流變學測量和外觀

3. 功效評估

作者將TC-PNs凝膠與常規清潔方法進行瞭比較。圖中表明,當使用傳統的清潔材料(和凝膠使用同樣的清潔溶劑),由於重復的機械摩擦和保水性差,最終導致瞭顏料的溶解和損失。而當我們使用TC-PNs凝膠清潔時,它可以便捷快速地除去表面塵土而不損傷表面。

作者還通過傅裡葉變換紅外光譜(FTIR)成像進一步評估凝膠清潔效果。清潔樣品的光譜與原始模型的模型(圖3B)一致,表明有效的去污效果。此外,在原始樣品和清潔樣品之間,OH吸光度強度沒有顯著差異(圖7C),即無明顯PVA的殘留在表面上。而傳統增稠劑(例如,聚丙烯酸,纖維素醚)會留下殘留物,清洗後需要進行進一步沖洗。

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圖3. PVA凝膠和傳統清潔方法的清潔效力對比。

在這些雙鏈聚合物凝膠和傳統清潔材料之間的測試中,新材料可更多的去除藝術品中的污垢,並更好地恢復瞭它們原來的亮度。並且在威尼斯佩吉·古根海姆(Peggy Guggenheim)收藏的兩幅畫作上進行瞭測試。

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圖4. 波洛克作品的清理。

此後,水凝膠被用來成功地修復傑克遜·波洛克(美國畫傢,抽象表現主義繪畫大師,也被公認為是美國現代繪畫擺脫歐洲標準,在國際藝壇建立領導地位的第一功臣,2006年11月3日,波洛克的一幅作品《1948年第5號》拍賣出全球繪畫作品最高價,達1.4億美元(約合1.096億歐元))的兩幅傑作,Two和 Eyes in the Heat。這兩幅作品展示瞭從傳統繪畫藝術到的3D表面的過渡。波洛克通過滴水技術繪制具有紋理的表面。此外,Two僅使用油漆制成,而Eyes in the Heat則使用的油和醇酸顏料,這兩種顏料對溶劑十分敏感。這些綜合原因使常規清潔工具去除污垢特別具有挑戰性和風險,而使用凝膠去除污垢使得原始顏料色相重現(圖4 A和D)

據該團隊表示,清潔工作的成功代表著文化遺產保護向前邁出瞭重要的一步,並有望為子孫後代更好地保護珍貴的藝術品。

全文鏈接:

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

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