Nanotechnology materials to the rescue of stone monuments

Posted: February 19, 2008
Nanotechnology materials to the rescue of stone monuments
 (Nanowerk Spotlight) The list of great monuments and frescoes destroyed or seriously damaged by negligence or criminal action is dramatically increasing, and the biggest culprit is air pollution. Pollutants such as sulfur dioxide and nitrogen oxides are the most serious causes of degradation in carbonate stone, which in the form of marble, limestone and similar materials comprises some of the most important monuments and artifacts in the world. The main damage to monuments is that the stonework becomes sulphated through the transformation of calcium carbonate to calcium sulphate owing to the presence of sulphur dioxide. Two forms of deterioration then take place: the constitution of a black film in areas sheltered from the rain, and elsewhere the crumbling of the interior of the stone. For instance, UNESCO estimates that the surface eaten away annually in a cultural heritage site such as Venice represents 6 per cent of marble and stone monuments and 5 per cent of frescoes. The problem is not only what causes the damage but also how repairs are done. Quite often, the experts in charge of restoration work - architects, restorers, renovators - conduct their work without previous scientific studies of the damaged monument. Specifically the consolidation of decayed stone in historical buildings is a common intervention that can cause irreparable damage to the monument. Although commercial products, such as alkoxysilanes that are commonly used to consolidate stone, present unquestionable advantages they also present certain disadvantages totally ignored by the experts in charge of their application. Scientists in Spain are committed to the development of new nanotechnology materials specifically suited to stone-based historical structures. Their objective has been the development of a new nanomaterial which forms a crack-free gel in the pores of the treated stone. Consolidation of decayed stone is one of the most common interventions in the restoration of historical buildings (just to be clear on the difference between a consolidant and a preservative: The aim of a preservative is to totally preserve the stone in whatever state of weathering it has reached and stop all future decay; this generally means applying a coating to the surface of the stone which totally protects it from the effects of the atmosphere around it. Consolidation aims to stabilize the friable material whilst still allowing weathering to take place as a result of natural processes and at a natural rate). Commercial consolidants are based on a silicon monomer – usually tetraethoxysilane (TEOS) – and an organic solvent. The product is applied in liquid form and polymerization takes place in the pores of the deteriorated stone by way of a classic sol-gel process, forming a silica network which is able to stabilize the decaying stone. Advantages of these consolidation products are well known to professional restorers: 1) they are low viscosity products, which facilitates a deep and homogeneous penetration into the decayed substrate; 2) Humidity present in the rocks is enough to produce the spontaneous gelification of the product; and 3) The polymer forms oxygen-silicon bonds with a similar nature when comparing them to the existing bonds in the minerals of the rocks. "Although the advantages of these materials are without doubt, their application also comes with a number of disadvantages" Dr. María Jesús Mosquera Díaz explains to Nanowerk: " 1) Poor adherence to certain stones of calcareous nature; 2) Poor cohesion and increase of mechanical resistance after consolidation; and 3) Formation of a fragile gel with numerous fractures. This last aspect is, of course, the most worrying one and the one that has caused numerous instances of damages instead of benefits to the consolidated building." Mosquera is a professor in the Departamento de Química Física at the University of Cádiz in Spain. The obvious question that she and her colleagues asked was: Why does the consolidant break? "Any person familiar with sol-gel processes knows that one of the main problems is the great difficulty that this technique presents in obtaining monolithic materials or fracture-free films" says Mosquera. "The evaporation of the solvent trapped in the gel network causes the formation of a concave meniscus in the interphase between the liquid and the vapor which causes the development of a pressure gradient in this interphase. This pressure is released by the spontaneous shrinkage of the gel. The shrinkage finishes when the gel network reaches a rigidity superior to the strength imposed by the capillary pressure, giving rise to the movement of the liquid/vapor interphase into the pores." What this means is that, during the drying process, the gel supports the capillary pressure inside the stone's pores. If this pressure is high, the gel network fractures. Therefore, as the consolidation product gels into the pores of the rock, the gel supports a capillary pressure which is inversely proportional to the pore radius. This is the reason why the commercial consolidants on the market today generate dense and microporous gels which enhance elevated capillary pressures during the drying phase, which ultimately leads to cracks in the gel. SEM image of a historical stone consolidated with a popular consolidant (Tegovakon V100). Numerous fractures can clearly be seen. (Image: Dr. María Jesús Mosquera Díaz, University of Cádiz) In the past few years, several attempts to synthesize crack-free consolidants have been made. The key obviously lies in reducing the capillary pressure during the drying process. One way to do this is by increasing the pore size of the gel network. Researchers developed hybrid gels consisting of TEOS (the same polymeric precursor of the commercial products currently used) and colloidal silicon particles. The obtained gels had increased pore size (28 nm), resulting in a significant reduction of the value of capillary pressure and subsequently, more crack-free consolidants. The only negative aspect of the new material is its whitish color due to the inclusion of colloidal particles. This can be a problem in treating dark colored stone as the whitish film would be clearly visible on the surface. This problem could be solved by introducing colloidal particles of titanium and iron oxides into the TEOS matrix to obtain the desired color that matches darker stones. Unfortunately, this would require the synthesis of a specific consolidant for each type of stone by using oxide precursors with chromatic characteristics similar to the stone color. This approach doesn't appear to be feasible with regard to an industrial production of consolidants. The work by the Spanish scientists presents an innovative solution: they synthesized a nanomaterial by using a surfactant as template. In this novel consolidant synthesis process the sol-gel transition occurs in the presence of the surfactant (which increases the pore size of the gel). This provides an efficient means of avoiding cracking of the gel while it is drying inside the stone. "In order to obtain mesoporous gels, we use a tensoactive agent as a template for the porous structure" explains Mosquera. "This technique, discovered in the 90’s by Mobile Corporation researchers, allows the synthesis of nanomaterials known as molecular sieves. Unfortunately, this technique cannot be used in the case of consolidation products because the product must be applied as a sol and must polymerize into the pores of the decayed stone of the building. Therefore, the main objective of our work was the development of a totally innovative procedure based on the synthesis of molecular sieves." Taking into account the particular characteristics of consolidation processes, Mosquera and her collaborators describe their novel synthesis technique in the February 1, 2008 online edition of Langmuir ("New Nanomaterials for Consolidating Stone"). Recently, Spanish researchers have designed a novel sol-gel synthesis in which a nanomaterial with application as water repellent and consolidant is obtained. The organosiloxane, integrated in the silica network, makes the gel hydrophobic.   The new material is water repellent and suitable as a crack-free consolidant for stone. The researchers evaluated the effectiveness of the novel material on a set of typical stone used for monuments, including granites and sedimentary stones. They found that their nanomaterial provided excellent waterproofing to the all stones evaluated, as demonstrated in these photographs, which show a water droplet on an untreated biocalcareous stone (left) and a water droplet on the same stone treated with the new material (right). (Images: Dr. María Jesús Mosquera Díaz, University of Cádiz) By Michael Berger. Copyright 2008 Nanowerk LLC
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 
مواد تقنية النانو لانقاذ آثار الحجر ( Nanowerk Spotlight ) The list of great monuments and frescoes destroyed or seriously damaged by negligence or criminal action is dramatically increasing, and the biggest culprit is air pollution. (Nanowerk أضواء) قائمة المعالم العظمى واللوحات الجدارية التي دمرت أو تضررت بشكل خطير من قبل ، أو إهمال العمل الإجرامي يتزايد بشكل كبير ، وأكبر المذنب هو تلوث الهواء. Pollutants such as sulfur dioxide and nitrogen oxides are the most serious causes of degradation in carbonate stone, which in the form of marble, limestone and similar materials comprises some of the most important monuments and artifacts in the world. الملوثات مثل ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين هي الأسباب الأكثر خطورة تدهور في الحجر كربونات ، والتي في شكل الرخام والحجر الجيري ومواد مماثلة تضم بعض من أهم المعالم الأثرية والتحف في العالم. The main damage to monuments is that the stonework becomes sulphated through the transformation of calcium carbonate to calcium sulphate owing to the presence of sulphur dioxide. الأضرار والآثار الرئيسي هو أن يصبح المكبرت الحجارة من خلال التحول من كربونات الكالسيوم لكبريتات الكالسيوم بسبب وجود ثاني أكسيد الكبريت. Two forms of deterioration then take place: the constitution of a black film in areas sheltered from the rain, and elsewhere the crumbling of the interior of the stone. شكلين من التدهور ثم تأخذ مكان : في المناطق المحمية من المطر دستور فيلم أسود ، وأماكن أخرى في انهيار الداخلية من الحجر. For instance, UNESCO estimates that the surface eaten away annually in a cultural heritage site such as Venice represents 6 per cent of marble and stone monuments and 5 per cent of frescoes. على سبيل المثال ، تقدر اليونسكو أن سطح تؤكل سنويا بعيدا في موقع التراث الثقافي مثل البندقية يمثل 6 في المائة من الرخام والحجر والآثار 5 في المائة من اللوحات الجدارية. The problem is not only what causes the damage but also how repairs are done. المشكلة ليست فقط ما يتسبب في أضرار ولكن أيضا كيف تتم الإصلاحات. Quite often, the experts in charge of restoration work - architects, restorers, renovators - conduct their work without previous scientific studies of the damaged monument. وفي كثير من الأحيان ، وخبراء في تهمة من أعمال الترميم -- المهندسين المعماريين ، والترميم ، مجددو -- قيام بعملهم دون الدراسات العلمية السابقة للنصب معطوب. Specifically the consolidation of decayed stone in historical buildings is a common intervention that can cause irreparable damage to the monument. على وجه التحديد توحيد الحجر التهاوي في المباني التاريخية هو التدخل المشتركة التي يمكن ان تسبب ضررا لا يمكن إصلاحه لنصب. Although commercial products, such as alkoxysilanes that are commonly used to consolidate stone, present unquestionable advantages they also present certain disadvantages totally ignored by the experts in charge of their application. على الرغم من المنتجات التجارية ، مثل alkoxysilanes التي يشيع استخدامها لتعزيز الحجر ، ومزايا لا يرقى إليه الشك الحاضر ما يقدمونه أيضا بعض العيوب تجاهلها تماما من قبل الخبراء المكلف تطبيقها. Scientists in Spain are committed to the development of new nanotechnology materials specifically suited to stone-based historical structures. ملتزمون العلماء في اسبانيا لتطوير تكنولوجيا النانو المواد الجديدة المعدة خصيصا لتلائم الهياكل التاريخية المستندة إلى حجر. Their objective has been the development of a new nanomaterial which forms a crack-free gel in the pores of the treated stone. وقد هدفهم وضع المواد متناهية الصغر الجديدة التي تشكل جل الكراك خالية في مسام الحجر المعالجة. Consolidation of decayed stone is one of the most common interventions in the restoration of historical buildings (just to be clear on the difference between a consolidant and a preservative : The aim of a preservative is to totally preserve the stone in whatever state of weathering it has reached and stop all future decay; this generally means applying a coating to the surface of the stone which totally protects it from the effects of the atmosphere around it. Consolidation aims to stabilize the friable material whilst still allowing weathering to take place as a result of natural processes and at a natural rate). توطيد حجر التهاوي هي واحدة من أكثر التدخلات المشتركة في مجال ترميم المباني التاريخية (لمجرد أن تكون واضحة على الفرق بين دامل وحافظة ج : إن الهدف من حافظة هو الحفاظ على الحجر تماما في أي دولة من التجوية لها تم التوصل إليها ووقف جميع الاضمحلال في المستقبل ، وهذا يعني عموما تطبيق الطلاء على سطح الحجر الذي يحمي كليا من آثار الجو من حوله يهدف إلى توطيد الاستقرار في حين لا يزال يسمح مواد قابلة للتفتيت التجوية عقده نتيجة. العمليات الطبيعية وعلى المعدل الطبيعي). Commercial consolidants are based on a silicon monomer – usually tetraethoxysilane (TEOS) – and an organic solvent. وتستند consolidants التجاري على مونومر السيليكون -- tetraethoxysilane عادة (تيوس) -- والمذيبات العضوية. The product is applied in liquid form and polymerization takes place in the pores of the deteriorated stone by way of a classic sol-gel process, forming a silica network which is able to stabilize the decaying stone. يتم تطبيق المنتوج في شكل سائل ، والبلمرة يحدث في مسام الحجر تدهورت عن طريق عملية الكلاسيكية سول (جل ، وتشكيل شبكة السيليكا التي هي قادرة على تحقيق الاستقرار في الحجر المتحللة. Advantages of these consolidation products are well known to professional restorers: 1) they are low viscosity products, which facilitates a deep and homogeneous penetration into the decayed substrate; 2) Humidity present in the rocks is enough to produce the spontaneous gelification of the product; and 3) The polymer forms oxygen-silicon bonds with a similar nature when comparing them to the existing bonds in the minerals of the rocks. معروفة جيدا مزايا هذه المنتجات إلى توطيد الترميم المهنية : (1) فهي منتجات منخفضة اللزوجة ، مما يسهل اختراق عميق ومتجانس في التهاوي الركيزة ؛ 2 الحالي الرطوبة) في الصخور ما يكفي لإنتاج gelification عفوية للمنتج ؛ و 3) والبوليمرات أشكال الأكسجين والسليكون السندات ذات الطبيعة مشابهة عند مقارنتها إلى سندات المعادن الموجودة في الصخور. "Although the advantages of these materials are without doubt, their application also comes with a number of disadvantages" Dr. María Jesús Mosquera Díaz explains to Nanowerk: " 1) Poor adherence to certain stones of calcareous nature; 2) Poor cohesion and increase of mechanical resistance after consolidation; and 3) Formation of a fragile gel with numerous fractures. This last aspect is, of course, the most worrying one and the one that has caused numerous instances of damages instead of benefits to the consolidated building." "على الرغم من مزايا هذه المواد هي من دون شك ، وتطبيقها كما يأتي مع عدد من العيوب" الدكتور ماريا خيسوس دياز موسكيرا يشرح Nanowerk : "1) عدم الالتزام من بعض الحجارة الجيرية الطبيعة ؛ 2 تماسك ضعيف) وزيادة المقاومة الميكانيكية بعد توحيد ؛ و 3) تشكيل لهلام الهشة مع العديد من الكسور وهذا الجانب الأخير هو ، بطبيعة الحال ، فإن الأكثر إثارة للقلق واحد واحد والتي تسببت في حالات عديدة من الأضرار بدلا من الفوائد التي تعود على بناء الموحد ". Mosquera is a professor in the Departamento de Química Física at the University of Cádiz in Spain. موسكيرا هو أستاذ في دي física Química Departamento في جامعة قادس في اسبانيا. The obvious question that she and her colleagues asked was: Why does the consolidant break? وكان السؤال البديهي انها وزملاؤها سأل : لماذا كسر دامل؟ "Any person familiar with sol-gel processes knows that one of the main problems is the great difficulty that this technique presents in obtaining monolithic materials or fracture-free films" says Mosquera. "أي شخص مطلع على عمليات سول (جل يعلم أن واحدة من المشاكل الرئيسية تكمن في صعوبة كبيرة في أن هذا الأسلوب يعرض في الحصول على المواد متجانسة أو الأفلام كسر الحرة" يقول موسكيرا. "The evaporation of the solvent trapped in the gel network causes the formation of a concave meniscus in the interphase between the liquid and the vapor which causes the development of a pressure gradient in this interphase. This pressure is released by the spontaneous shrinkage of the gel. The shrinkage finishes when the gel network reaches a rigidity superior to the strength imposed by the capillary pressure, giving rise to the movement of the liquid/vapor interphase into the pores." "تبخر المذيب المحاصرين في شبكة هلام يؤدي تشكيل الغضروف المفصلي مقعر في الطور البيني بين السائل والبخار الذي يتسبب في وضع التدرج الضغط في هذا الطور البيني. إصدارها هذا الضغط من جانب انكماش عفوية من الهلام . وعندما ينتهي الانكماش شبكة هلام تصل إلى صلابة متفوقة على قوة الضغط التي تفرضها الشعرية ، مما أدى إلى حركة الطور البيني السائل بخار / في المسام. " What this means is that, during the drying process, the gel supports the capillary pressure inside the stone's pores. ما يعنيه هذا هو أنه ، أثناء عملية التجفيف ، وهلام يدعم ضغط الشعرية داخل مسام الحجر. If this pressure is high, the gel network fractures. وإذا كان هذا الضغط مرتفع ، والشبكة هلام الكسور. Therefore, as the consolidation product gels into the pores of the rock, the gel supports a capillary pressure which is inversely proportional to the pore radius. لذلك ، والمواد الهلامية في المنتج توحيد مسام الصخور ، وهلام يدعم الضغط الشعري الذي يتناسب عكسيا مع نصف قطر المسام. This is the reason why the commercial consolidants on the market today generate dense and microporous gels which enhance elevated capillary pressures during the drying phase, which ultimately leads to cracks in the gel. وهذا هو السبب في consolidants التجارية في السوق اليوم توليد المواد الهلامية microporous الكثيفة والتي تعزز الضغوط الشعرية مرتفعة خلال مرحلة التجفيف ، الأمر الذي يؤدي في النهاية إلى تصدعات في هلام. SEM image of a historical stone consolidated with a popular consolidant (Tegovakon V100). ووزارة شؤون المرأة صورة حجر التاريخية الموحدة مع دامل الشعبية (Tegovakon V100). Numerous fractures can clearly be seen. ويمكن بوضوح كسور عديدة يمكن رؤيتها. (Image: Dr. María Jesús Mosquera Díaz, University of Cádiz) (الصورة : الدكتور ماريا خيسوس دياز موسكيرا ، جامعة قادس) In the past few years, several attempts to synthesize crack-free consolidants have been made. في السنوات القليلة الماضية ، عدة محاولات لتجميع بذلت consolidants الكراك خالية. The key obviously lies in reducing the capillary pressure during the drying process. المفتاح يكمن الواضح في خفض ضغط الشعرية أثناء عملية التجفيف. One way to do this is by increasing the pore size of the gel network. طريقة واحدة لتحقيق ذلك هي عن طريق زيادة حجم المسام من شبكة هلام. Researchers developed hybrid gels consisting of TEOS (the same polymeric precursor of the commercial products currently used) and colloidal silicon particles. طور الباحثون المواد الهلامية المختلطة التي تتكون من تيوس (مقدمة نفس البوليمرية من المنتجات التجارية المستخدمة حاليا) وجزيئات السليكون الغروية. The obtained gels had increased pore size (28 nm), resulting in a significant reduction of the value of capillary pressure and subsequently, more crack-free consolidants. وكان الحصول على المواد الهلامية زيادة حجم المسام (28 نانومتر) ، مما أدى إلى انخفاض كبير في قيمة الضغط شعري وبعد ذلك ، أكثر consolidants الكراك خالية. The only negative aspect of the new material is its whitish color due to the inclusion of colloidal particles. الجانب السلبي الوحيد من المواد الجديدة لونها بيضاء وذلك بسبب إدراج الجسيمات الغروية. This can be a problem in treating dark colored stone as the whitish film would be clearly visible on the surface. هذا يمكن ان يكون هناك مشكلة في معالجة الحجر داكن اللون وبيضاء الفيلم سوف تكون مرئية بوضوح على السطح. This problem could be solved by introducing colloidal particles of titanium and iron oxides into the TEOS matrix to obtain the desired color that matches darker stones. ويمكن حل هذه المشكلة عن طريق إدخال جزيئات الغروي من أكاسيد الحديد والتيتانيوم في تيوس مصفوفة للحصول على اللون المطلوب يطابق أغمق الحجارة. Unfortunately, this would require the synthesis of a specific consolidant for each type of stone by using oxide precursors with chromatic characteristics similar to the stone color. لسوء الحظ ، وهذا يتطلب تركيب لدامل محددة لكل نوع من أنواع الحجر باستخدام السلائف أكسيد ذات الخصائص المماثلة لوني للون الحجر. This approach doesn't appear to be feasible with regard to an industrial production of consolidants. هذا النهج لا يبدو ممكنا ، فيما يتعلق بالإنتاج الصناعي لconsolidants. The work by the Spanish scientists presents an innovative solution: they synthesized a nanomaterial by using a surfactant as template. والعمل الذي يقوم به العلماء الاسبانية يقدم حلا مبتكرا : انها توليف المواد متناهية الصغر باستخدام بالسطح كقالب. In this novel consolidant synthesis process the sol-gel transition occurs in the presence of the surfactant (which increases the pore size of the gel). في هذا التوليف رواية دامل عملية الانتقال سول (جل يحدث في وجود السطحي (والذي يزيد من حجم المسام من الجل). This provides an efficient means of avoiding cracking of the gel while it is drying inside the stone. وهذا يوفر وسيلة فعالة لتجنب الانشقاق من الهلام ولئن كان من تجفيف داخل الحجر. "In order to obtain mesoporous gels, we use a tensoactive agent as a template for the porous structure" explains Mosquera. "من أجل الحصول على المواد الهلامية mesoporous ، ونحن نستخدم وكيل tensoactive كقالب لبنية مسامية" يفسر موسكيرا. "This technique, discovered in the 90's by Mobile Corporation researchers, allows the synthesis of nanomaterials known as molecular sieves. Unfortunately, this technique cannot be used in the case of consolidation products because the product must be applied as a sol and must polymerize into the pores of the decayed stone of the building. Therefore, the main objective of our work was the development of a totally innovative procedure based on the synthesis of molecular sieves." "هذه التقنية ، التي اكتشفت في 90 من قبل الباحثين شركة جوال ، ويتيح تجميع المواد متناهية الصغر المعروفة باسم المناخل الجزيئية. لسوء الحظ ، لا يمكن أن هذه التقنية يمكن استخدامها في حالة المنتجات توحيد لأنه يجب تطبيق المنتج باعتباره سول ، ويجب أن تتبلمر في مسام الحجر التهاوي من المبنى ، لذلك كان الهدف الرئيسي من عملنا على وضع إجراءات مبتكرة تماما تقوم على تجميع المناخل الجزيئية ". Taking into account the particular characteristics of consolidation processes, Mosquera and her collaborators describe their novel synthesis technique in the February 1, 2008 online edition of Langmuir ( "New Nanomaterials for Consolidating Stone" ). مع الأخذ في الاعتبار الخصائص المميزة لعمليات الدمج ، موسكيرا ومعاونيها وصف الرواية على تقنية التوليف في 1 ، 2008 طبعة الانترنت من فبراير انجميور ( "المواد النانوية الجديدة من أجل توطيد الحجر" ). Recently, Spanish researchers have designed a novel sol-gel synthesis in which a nanomaterial with application as water repellent and consolidant is obtained. في الآونة الأخيرة ، فقد صمم الباحثون الاسبان تجميعا رواية سول (جل التي يتم الحصول على المواد متناهية الصغر مع التطبيق كما دامل مضادة للماء و. The organosiloxane, integrated in the silica network, makes the gel hydrophobic. وorganosiloxane ، ودمجها في شبكة السليكا ، ويجعل جل مسعور. The new material is water repellent and suitable as a crack-free consolidant for stone. المواد الجديدة ومضادة للماء ومناسبة بوصفها دامل الكراك خالية من حجر. The researchers evaluated the effectiveness of the novel material on a set of typical stone used for monuments, including granites and sedimentary stones. الباحثون بتقييم فعالية المواد الرواية على مجموعة من الحجر المعتادة المستخدمة في الآثار ، بما في ذلك الصوان والحجارة الرسوبية. They found that their nanomaterial provided excellent waterproofing to the all stones evaluated, as demonstrated in these photographs, which show a water droplet on an untreated biocalcareous stone (left) and a water droplet on the same stone treated with the new material (right). ووجد الباحثون ان هذه المواد متناهية الصغر تسرب المياه الممتازة التي قدمها الى حجارة جميع تقييمها ، كما هو موضح في هذه الصور التي تظهر قطرات الماء على الحجر وbiocalcareous غير المعالجة (يسار) وقطرات الماء على الحجر نفسه تعامل مع المواد الجديدة (يمين). (Images: Dr. María Jesús Mosquera Díaz, University of Cádiz) (صور : الدكتور ماريا خيسوس دياز موسكيرا ، جامعة قادس) By Michael Berger. من جانب مايكل بيرغر. Copyright 2008 Nanowerk LLC حقوق الطبع والنشر 2008 Nanowerk ذ م م

تعليقات

المشاركات الشائعة من هذه المدونة

اساليب الاضاءة الحديثة المستخدمة فى المتاحف وفتارين العرض

علاج وصيانة العظام الاثرية وطرق عرضها متحفيا

أستمارات توثيق وتسجيل الاثار لكل من المرمم والاثرى