Tìm ra phương pháp mới để bảo tồn các tòa nhà lịch sử bị phong hóa

Các chuyên gia từ Đại học Công nghệ Vienna (TU Wien) và Đại học Oslo đã trình bày chi tiết cách các hạt nano silicat đặc biệt có thể làm cứng đá vôi xốp. Họ hy vọng nghiên cứu này sẽ mang lại một phương pháp bảo tồn các tòa nhà lịch sử với chi phí thấp.

Theo các chuyên gia, nhiều tòa nhà lịch sử được xây dựng bằng đá vôi, chẳng hạn như Nhà thờ St. Stephen ở Vienna. Đá vôi dễ gia công nhưng không chống chịu thời tiết tốt, do chủ yếu bao gồm các khoáng chất canxit liên kết tương đối yếu với nhau. Đó là lý do tại sao các bộ phận của nó liên tục bị vỡ vụn theo năm tháng, đòi hỏi các biện pháp phục hồi và bảo tồn tốn kém.

Các chuyên gia cho biết: “Tuy nhiên, chúng ta có thể tăng sức chống chịu của đá bằng cách xử lý nó với các hạt nano silicat đặc biệt. Phương pháp này đã được sử dụng, nhưng chính xác thì điều gì xảy ra trong quá trình này và loại hạt nano nào phù hợp nhất cho đến nay vẫn chưa rõ ràng”.

Phong hóa là quá trình phá hủy đất đá và các khoáng vật trong đó, dưới tác dụng của thời tiết, chủ yếu là không khí và nước. Phong hóa được chia thành hai loại chính.

- Phong hóa cơ học là quá trình phong hóa trong đó các tác nhân vật lý là tác nhân gây phong hóa.

- Phong hóa hóa học có sự tham gia của các chất trong môi trường không khí tác động lên đối tượng phong hóa.

Nhóm nghiên cứu từ TU Wien và Đại học Oslo hiện đã có thể làm rõ chính xác quá trình đông cứng nhân tạo này diễn ra như thế nào thông qua các thí nghiệm phức tạp tại Synchrotron DESY ở Hamburg, cùng với các cuộc kiểm tra bằng kính hiển vi ở Vienna. Bằng cách đó, nhóm có thể xác định các hạt nano phù hợp nhất cho mục đích này.

Tuyên bố dẫn lời giáo sư Markus Valtiner từ Viện Vật lý ứng dụng tại TU Wien cho biết: “Chúng tôi sử dụng một chất huyền phù, trong đó các hạt nano ban đầu trôi tự do xung quanh. Khi chất huyền phù này đi vào đá, sau đó là phần nước bay hơi, các hạt nano tạo thành cầu nối giữa các khoáng chất và tạo thêm độ ổn định cho đá. Phương pháp này đã được sử dụng trong công nghệ phục hồi, nhưng cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác quá trình vật lý đã diễn ra”.

“Khi nước bay hơi, một dạng kết tinh đặc biệt xảy ra. Thông thường một tinh thể là sự sắp xếp đều đặn của các nguyên tử riêng lẻ. Tuy nhiên, không chỉ các nguyên tử mà toàn bộ các hạt nano có thể tự sắp xếp theo một cấu trúc đều đặn được gọi là một ‘tinh thể keo’. Các hạt nano silicat kết hợp với nhau để tạo thành các ‘tinh thể keo’ như vậy khi chúng khô trong đá, từ đó tạo ra các kết nối mới giữa các bề mặt khoáng chất riêng lẻ. Điều này làm tăng độ bền của đá tự nhiên”, nhóm nghiên cứu cho biết thêm.

Để quan sát chi tiết quá trình kết tinh này, nhóm TU Wien đã sử dụng cơ sở đồng bộ hóa DESY ở Hamburg. Các tia X cực mạnh tạo ra ở đó, được sử dụng để phân tích sự kết tinh trong quá trình làm khô. Điều này rất quan trọng để hiểu chính xác sức mạnh của các liên kết hình thành. Họ đã sử dụng các hạt nano có kích thước, nồng độ khác nhau và nghiên cứu quá trình kết tinh bằng việc phân tích tia X.

“Để đạt được mục đích này, chúng tôi đã đo lực kết dính do các ‘tinh thể keo’ tạo ra. Một kính hiển vi giao thoa đặc biệt đã được sử dụng, hoàn toàn phù hợp để đo các lực cực nhỏ giữa hai bề mặt. Kết quả cho thấy các hạt nano càng nhỏ thì càng tăng cường sự gắn kết giữa các hạt khoáng chất. Nếu bạn sử dụng các hạt nhỏ hơn, nhiều vị trí liên kết hơn được tạo ra trong ‘tinh thể keo’ giữa hai hạt khoáng chất và với số lượng các hạt tham gia, lực mà chúng giữ các khoáng chất lại với nhau cũng tăng lên”, giáo sư Joanna Dziadkowiec của Đại học Oslo nói.

Giáo sư Valtiner nhận định: “Tùy thuộc vào nồng độ hạt, quá trình kết tinh diễn ra hơi khác nhau và điều này có ảnh hưởng đến cách các ‘tinh thể keo’ hình thành. Những phát hiện mới giờ đây sẽ được sử dụng để giúp cho công việc trùng tu lâu bền hơn và có mục tiêu hơn”.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí khoa học Langmuir.