Graphene-based materials for the protection of artworks

Abstract

All art materials are prone to environmental degradation. Fading, yellowing, and discoloration are the most common degradation effects resulting from exposure to UV and visible light, and oxidizing agents. These effects of aging mechanisms lead to the severe and irreversible deterioration of the readability of works of art, which are the priceless heritage of humanity. Solvents and varnishes, which have long been used to protect artworks, turned out to be destructive solutions. The protective resin-based systems affect the underlying surface of the artwork, while the specially designed glass showcases are not capable of protecting the art objects from the aforementioned damaging factors. The graphene-based materials can offer innovative solutions against the degradation of artworks due to natural aging. Since the discovery of graphene in 2004 (2010 Nobel Prize in Physics, Geim and Novoselov) it has been considered the ‘wonder material’. Graphene is one of several allotropes of Carbon and can be considered the ultimate aromatic hydrocarbon – existing as an infinite monolayer of carbon atoms joined together in a two-dimensional, hexagonal sheet-like structure that gives rise to its many unique properties. Graphene shows protective abilities and, the properties of the hexagonal lattice arrangement of carbon atoms make it act as a flexible barrier to oxygen and other gases, damaging wavelengths of light and water vapor when applied to a surface. Graphene-related materials have been found to provide considerable ultraviolet shielding as coatings, while a single graphene layer absorbs up to 3 times more in the UV region (190-400 nm), than in the visible range. Additionally, it is known that chemical molecules such as water or oxygen cannot penetrate a continuous graphene membrane providing the ultimate shield against degradation. The aim of this thesis was the exploitation of all the derivatives of graphene to develop novel methods for the protection of art objects. The first part of this thesis focused on the deposition of a protective coating on surfaces, such as papers, photos and paintings, like the monolayer or multilayer graphene with the roll-to-roll method, in order to protect them from fading over time. The assessment of the protection offered by graphene veil was performed with Colorimetry and other spectroscopic techniques (Raman). The second part of this thesis focused on the reinforcement of commercial paints, inks, and pigments with two-dimensional materials, such as graphene, boron nitride, etc., which were produced via the liquid-phase exfoliation method. The coloured samples were subjected to accelerated aging to reassess the protection offered by the 2D materials against colour fading. Finally, the last part of the thesis includes the preparation of graphene-based aerogels from graphene oxide or ‘hybrid’ aerogels containing graphene oxide and other two-dimensional materials (hBN, MoS2, WS2). These samples are examined as adsorbent materials for harmful gaseous pollutants such as formaldehyde, acetic acid, hydrochloric acid, ammonia, etc., which usually are present inside the museums.

Όλα τα υλικά τέχνης είναι επιρρεπή στην περιβαλλοντική υποβάθμιση. Το ξεθώριασμα, το κιτρίνισμα και ο αποχρωματισμός είναι τα πιο κοινά αποτελέσματα αποσύνθεσης που προκύπτουν από την έκθεση σε υπεριώδες και ορατό φως, και οξειδωτικά μέσα. Αυτά τα αποτελέσματα των μηχανισμών γήρανσης οδηγούν στη σοβαρή και μη αναστρέψιμη αλλοίωση της αναγνωσιμότητας των έργων τέχνης, τα οποία είναι η ανεκτίμητη κληρονομιά της ανθρωπότητας. Οι διαλύτες και τα βερνίκια που εδώ και καιρό χρησιμοποιούνται στην προστασία έργων τέχνης, πολύ συχνά αποδεικνύονται καταστρεπτικές λύσεις. Τα συστήματα με βάση ρητίνες επηρεάζουν την υποκείμενη επιφάνεια του έργου, ενώ οι ειδικά σχεδιασμένες γυάλινες προθήκες των έργων δεν είναι ικανές να τα προστατέψουν από τους προαναφερθέντες βλαπτικούς παράγοντες. Μια γκάμα καινοτόμων λύσεων στο πρόβλημα της υποβάθμισης των έργων τέχνης λόγω φυσικής φθοράς, έρχεται να δώσει ένα νανοϋλικό, το γραφένιο. Από την ανακάλυψη του γραφενίου το 2004, (βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010, Geim και Novoselov) έχει θεωρηθεί ως το «υλικό θαύμα» της επιστήμης. Το γραφένιο είναι μία από τις πολλές αλλότροπες μορφές άνθρακα και μπορεί να θεωρηθεί ο απόλυτος αρωματικός υδρογονάνθρακας, που υπάρχει ως μια απλή μονοστιβάδα ατόμων άνθρακα, ενωμένα μεταξύ τους σε μια δισδιάστατη, εξαγωνική δομή που μοιάζει με φύλλο και δημιουργεί πολλές μοναδικές ιδιότητες. Το γραφένιο παρουσιάζει προστατευτικές ικανότητες και οι ιδιότητες της εξαγωνικής διάταξης πλέγματος ατόμων άνθρακα το κάνουν να λειτουργεί ως ένα εύκαμπτο φράγμα για το οξυγόνο και άλλα επιβλαβή αέρια, προσφέροντας προστασία έναντι του φωτός και τους υδρατμούς. Επίσης, εμφανίζει μόλις 2.3% απορρόφηση του ορατού φωτός, πράγμα που το καθιστά σχεδόν αόρατο. Τα υλικά που σχετίζονται με το γραφένιο έχουν βρεθεί ότι παρέχουν σημαντική θωράκιση στο υπεριώδες τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ως επικαλύψεις, ενώ μια απλή στρώση γραφενίου απορροφά μέχρι και 3 φορές περισσότερο στην περιοχή UV (190-400 nm), απo ότι στην ορατή περιοχή. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν διάφορες μορφές του γραφενίου για την ανάπτυξη μεθόδων προστασίας των έργων τέχνης. Το πρώτο μέρος της διατριβής αφορά την επικάλυψη επιφανειών όπως χαρτιών, φωτογραφιών και πινάκων ζωγραφικής με μονοστρωματικό ή πολυστρωματικό γραφένιο με την μέθοδο roll-to-roll, με σκοπό την προστασία τους από την φθορά στο χρόνο (υποβάθμιση χρώματος). Η εκτίμηση της προστασίας που προσφέρει το γραφένιο έγινε με την Χρωματομετρία και άλλες φασματοσκοπικές μεθόδους (Raman). Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στην ενίσχυση καλλιτεχνικών βαφών, μελανιών και χρωστικών με δισδιάστατα υλικά, όπως το γραφένιο, νιτρίδιο του βορίου κλπ., τα οποία παρασκευάζονται με την μέθοδο της υγρής αποφλοίωσης. Τα δείγματα υπόκεινται σε επιταχυνόμενη γήρανση για να εκτιμηθεί η προστασία που προσφέρουν τα δισδιάστατα υλικά έναντι στην αλλοίωση των χρωμάτων. Το τελευταίο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει την παρασκευή graphene-based aerogels με βάση το οξείδιο του γραφενίου ή και υβριδικών aerogels με οξείδιο του γραφενίου και άλλων δισδιάστατων υλικών (BN, MoS2 , WS2). Τα δείγματα αυτά εξετάζονται ως προσροφητικά υλικά σε βλαβερούς αέριους ρύπους όπως φορμαλδεΰδη, οξικό οξύ, υδροχλωρικό οξύ, αμμωνία κλπ. Που συνήθως υπάρχουν στους χώρους των μουσείουν.