礦物-靛藍界面作用機理示意圖。莊官政 供圖
在國家自然科學基金青年基金和中國博士后科學基金的資助下，廣東省科學院資源利用與稀土開發研究所莊官政博士等科研人員研究揭示了海泡石中不同類型羥基對礦物-染料界面反應機理和瑪雅藍顏料性能的影響。相關研究發表于《染料與顏料》。中國科學院廣州地球化學研究所博士研究生李莉為論文第一作者，莊官政博士為通訊作者。
瑪雅藍（Maya blue）是古代瑪雅人創造并廣泛使用的一種藍綠色顏料，在瑪雅文物中普遍存在，是研究瑪雅文明的重要載體。考古學家曾證實，即使用沸騰的硝酸處理瑪雅藍也不會褪色。現代科學研究發現，瑪雅藍的主要成分是海泡石族粘土礦物（包括坡縷石和海泡石）和植物靛藍。
研究表明，將海泡石族的粘土礦物與靛藍進行熱處理可以獲得與瑪雅藍性質相似的顏料。基于此，研究人員推測，古代瑪雅藍可能是采用熱處理的方式制備的。然而，有關瑪雅藍中礦物-染料的界面反應機制仍未獲得明確認識，這一問題成為考古學、礦物學和化學領域的一大謎題，被稱為“瑪雅藍之謎”。
基于海泡石族粘土礦物的微觀結構，莊官政等科研人員提出，海泡石結構中的納米通道和多種羥基基團（沸石水、配位水和結構羥基）很可能是瑪雅藍顏料形成和穩定的關鍵。據此，他們采用分步熱處理的方法，依次去除了海泡石結構中的沸石水、配位水和結構羥基，研究了不同類型羥基物種（Hydroxyl Species）對瑪雅藍顏料性質和海泡石-靛藍界面反應的影響，揭示了羥基基團在瑪雅藍顏料形成過程中的作用。
該研究結果顯示：沸石水對靛藍分子進入納米通道具有阻礙作用；配位水與靛藍分子形成氫鍵，使顏料對可見光的吸收產生紅移，使顏料呈藍綠色；并將靛藍分子固定在海泡石結構中，從而提高其穩定性；結構羥基在礦物-染料界面反應中沒有作用。
因此，熱處理的作用在于：去除納米通道中的沸石水，為靛藍分子進入納米通道提供足夠的空間；活化靛藍分子，使其與配位水形成氫鍵。基于上述研究成果，他們建議合成瑪雅藍時的最優熱處理溫度區間為120～200°C，該溫度區有助于去除礦物結構中的沸石水而不脫除配位水。
該研究結果對瑪雅藍考古研究、高性能礦物基納米復合顏料的開發以及海泡石族粘土礦物的高效利用具有重要的指導意義。