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揭開馬雅石灰建築物千年不倒之謎

古代馬雅石膏建築物,能在潮溼環境仍屹立千年的祕密,在於添加兩種特殊植物汁液。(123RF)
古代馬雅石膏建築物,能在潮溼環境仍屹立千年的祕密,在於添加兩種特殊植物汁液。(123RF)

編譯/吳瑞昌
古代馬雅文化令人著迷,其中之一的就是建築。人們一直不解,是什麼能使馬雅時期的高大的石灰膏建築,在潮溼的環境中屹立千年而不倒?最近,西班牙等國的科學家終於破解了這個祕密。

擁有近500年歷史的西班牙格拉納達大學(UGR),其礦物學和岩石學系教授卡洛斯·羅德里格斯-納瓦羅(Carlos Rodríguez -Navarro)領導的團隊,與哈佛大學、科潘(洪都拉斯)馬雅雕塑保護實驗室合作,終於發現,瑪雅人在石膏中了添加特殊植物提取物,強化了石膏的性能。相關學術成果今年4月19日發表在《科學》雜誌上。

研究小組先到中美洲的洪都拉斯西部的科潘(Copan),收集了多個馬雅中期到晚期(西元540年至850年)的經典建築樣本,包括皇家衛城最高處著名的羅莎莉拉寺廟(Rosalila temple)建築。寺廟的外牆粉刷的是非常細膩的粉紅色石灰膏材料,這在馬雅文明中極具代表性。

據科學家介紹,石灰膏(石灰和石膏混合)的使用可以追溯到西元前10000~12000年左右。一般是將天然石灰石(碳酸鈣CaCO3)或貝殼等進行煅燒,把二氧化碳去除後得到的碳酸鹽岩,用來生產生石灰(氧化鈣CaO),生石灰加水熟化獲得熟石灰(Ca(OH)2),最後再與空氣中的二氧化碳反應凝固成高純度的碳酸鈣水泥。

馬雅人在西元前1100年左右,使用自己的石灰膏配方,製造出久經耐用的石灰材料用於建築物上,使其能在炎熱潮溼的熱帶環境中暴露1,200多年仍屹立不搖,這突顯該材料中的砂漿和灰泥擁有抗顆粒崩解、破裂或結垢等能力。

過往,許多科學家對古代馬雅建築物的材料進行了大量研究,包括大量的民族歷史學、考古學和分析證據,表明當時的泥瓦匠們使用植物提取物,但並未真正確認原因,直到現在才正式揭開這種高性能材料的祕密。

古文明巧妙利用仿生技術

古代馬雅文化令人著迷,其中之一的就是建築。人們一直不解,是什麼能使馬雅時期的高大的石灰膏建築,在潮溼的環境中屹立千年而不倒?最近,西班牙等國的科學家終於破解了這個祕密。

擁有近500年歷史的西班牙格拉納達大學(UGR),其礦物學和岩石學系教授卡洛斯·羅德里格斯-納瓦羅(Carlos Rodríguez -Navarro)領導的團隊,與哈佛大學、科潘(洪都拉斯)馬雅雕塑保護實驗室合作,終於發現,瑪雅人在石膏中了添加特殊植物提取物,強化了石膏的性能。相關學術成果今年4月19日發表在《科學》雜誌上。

研究小組先到中美洲的洪都拉斯西部的科潘(Copan),收集了多個馬雅中期到晚期(西元540年至850年)的經典建築樣本,包括皇家衛城最高處著名的羅莎莉拉寺廟(Rosalila temple)建築。寺廟的外牆粉刷的是非常細膩的粉紅色石灰膏材料,這在馬雅文明中極具代表性。

據科學家介紹,石灰膏(石灰和石膏混合)的使用可以追溯到西元前一萬到一萬兩千年左右。一般是將天然石灰石(碳酸鈣CaCO3)或貝殼等進行煅燒,把二氧化碳去除後得到的碳酸鹽岩,用來生產生石灰(氧化鈣CaO),生石灰加水熟化獲得熟石灰(Ca(OH)2),最後再與空氣中的二氧化碳反應凝固成高純度的碳酸鈣水泥。

寺廟的外牆粉刷的是非常細膩的粉紅色石灰膏材料,這在馬雅文明中極具代表性。(Orlando Sierra / AFP)古代馬雅石膏建築物,能在潮溼環境仍屹立千年的祕密,在於添加兩種特殊植物汁液。(Orlando Sierra / AFP)

馬雅人在西元前1100年左右,使用自己的石灰膏配方,製造出久經耐用的石灰材料用於建築物上,使其能在炎熱潮溼的熱帶環境中暴露1,200多年仍屹立不搖,這突顯該材料中的砂漿和灰泥擁有抗顆粒崩解、破裂或結垢等能力。

過往,許多科學家對古代馬雅建築物的材料進行了大量研究,包括大量的民族歷史學、考古學和分析證據,表明當時的泥瓦匠們使用植物提取物,但並未真正確認原因,直到現在才正式揭開這種高性能材料的祕密。

古文明巧妙利用仿生技術

研究過程中,團隊成員從16世紀蘭達(Diego de Landa)主教編寫的編年史《論尤卡坦半島》中找到靈感。書中特別提到,馬雅建築的較高部分屋頂,大多刷過特製的石灰材料,讓建築變得非常堅固,而材料使用了某種樹的汁液。

科學家們透過穿透電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射和偏振光顯微鏡等分析技術,共同研究從科潘地區收集來的樣品。

他們在化驗過程中發現,這些樣品都含有機物化合物,並具有生物方解石晶體(碳酸鈣CaCO3)的膠結物,就像現代版水泥中含有生物方解石礦物(例如,雙殼類動物的殼)的奈米結構特徵,這些有機物賦予石灰膏擁有較好的可塑性、韌性、耐候性和抗破損。

為了搞懂這些特殊晶體的來處,並證明石灰砂漿中(由石灰、骨料、沙子和水混合而成)的碳水有機化合物,類似於生物方解石礦物(機械強度比純無機方解石高得多),團隊特別請當地的馬雅泥瓦匠幫忙。

泥瓦匠擁有自己代代相傳的石膏製作配方。他們從當地叫作Chukum和Jiote的樹木的樹皮中提取樹液。提取方法是,將樹皮混入石灰膏,並在熟化過程中混合樹液提取物。

這項方法是為了觀察裡面的結晶,是否與古老的建築物相似,以便驗證他們的猜測。結果顯示,由此方法產生的材料,與古代馬雅石膏中含有機化合物(多醣體)擁有的晶體結構和特徵相似。

研究團隊得出的結論是,古馬雅人和其他古文明在開發自己石灰技術時,巧妙利用仿生(即模仿自然)技術,這當中加入天然的有機添加劑,強化了石灰砂漿和石灰泥的黏合性能。

中國古建築屹立不搖

實際上,在世界許多古文明時期,人們皆曾使用石灰膏和砂漿作為建築材料,他們還會添加了天然有機成分,例如:植物提取物、糯米、果汁、油、動物脂肪,甚至添加血液和啤酒等有機物來強化材料,使建築物更加牢固。

中國北魏時期(西元386年到西元535年)前修建的大型建築物多以夯土(三合土,以紅泥、粗砂、石灰和少量動物血)為主,但隨著人們對建築物強度需求增加,唐宋以後許多大型建築物會用上糯米和夯土進行調和,製作出來的灰漿用來黏合磚石,其建築強度遠比純石灰砂漿強度更大,且更具耐水性。

例如,唐宋時期的多座古塔和古橋、明代建造的南京等古城牆、北京故宮、明代長城、承德避暑山莊、錢塘江海塘等明清工程皆使用該種材料建造,使得這些建築物歷經數百年風雨和挺過許多大型地震,依然巍然挺立。◇