At knække bitumenpuslespillet

Mens atomkraftmikroskopi og scanningelektronmikroskopi har givet information om morfologien af ​​bitumenoverflader i fortiden, det var ikke kendt, om overflade og kemisk sammensætning korrelerer med hinanden. Imidlertid, den kemiske sammensætning af overfladen er af særlig interesse, fordi der finder oxidationsprocesser sted, udløst af iltholdige molekyler i luften såsom ozon, nitrogenoxider eller hydroxylradikaler. Oxidationsprocessen fremskynder ældningen af ​​materialet - bitumenet bliver porøst, og der opstår skader.

Materialekemikerne Dr. Ayse Koyun og Prof. Hinrich Grothe fra TU Wien undersøgte derfor bitumenoverfladen ved hjælp af forskellige fysisk-kemiske analysemetoder og sammenlignede de respektive resultater med hinanden. Forskerne offentliggjorde dataene den 29. juni i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Et mangfoldigt materiale

Bitumen fremstilles af petroleum og anvendes primært til fremstilling af asfalt. Dens konsistens afhænger i høj grad af temperaturen - ved varme temperaturer er den tyktflydende og større kemiske forbindelser såsom alifatiske forbindelser, petroleumsharpikser og asfaltener bevæger sig frit i massen. Når bitumenen afkøles, imidlertid, materialet størkner, og de enkelte molekyler indretter sig i karakteristiske mønstre. Analyser har allerede vist, at såkaldte kerne-skal-partikler dannes på overfladen. Det er kompositter, der består af mindst to forskellige komponenter.

Da asfalt og bitumen bruges til vejbygning såvel som til vandtætningsarbejde, den længst mulige produktlevetid er ønskelig. For at bremse ældningen af ​​materialet, reaktioner udløst af reaktive gasser, lys og varme skal minimeres. "Når vi forstår bitumens oxidationsadfærd bedre, vi kan se efter passende foranstaltninger til at forhindre atmosfærisk aldring. Dette kan forlænge levetiden af ​​et bitumenprodukt med mange år, spare energi og materielle ressourcer, " forklarer Koyun. I en undersøgelse offentliggjort i Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, hun har allerede været i stand til at vise, hvordan den kemiske sammensætning af bitumen påvirker dets ældningsproces.

Blanding af metoder giver ny information

I tæt samarbejde med Harvard University, Bruker Nano-Surfaces Division samt IONTOF GmbH, Ayse Koyun, første forfatter til undersøgelsen, undersøgte bitumenoverfladen ved hjælp af tre forskellige metoder:nanoskala infrarød spektroskopi baseret på fototermisk ekspansion (AFM-IR), time-of-flight sekundær ion massespektrometri (ToF-SIMS) og fluorescensmikroskopi. I kombination, disse metoder giver værdifuld indsigt i den flerfasede natur af bitumenoverfladen. "Opløsningen af ​​konventionelle målemetoder, der bruges til at studere overfladesammensætning, er for lav til kemisk karakterisering. Individuelle domæner af overfladen kan ikke bestemmes på denne måde, " forklarer Koyun. "Men, ved at kombinere forskellige fysisk-kemiske metoder, Det lykkes os at kortlægge strukturen ned til ti nanometer." Resultatet:overfladen er heterogen. Resultaterne af mikroskopiske og spektroskopiske metoder hænger sammen og kan fortolkes endegyldigt.

Der skabes et komplet billede

"I lang tid, bitumen var som et uløst puslespil for os materialekemikere, siger Hinrich Grothe, leder af forskningsgruppen Fysisk kemi i Atmosfæren. "Vi kender mange detaljer, men indtil nu har det ikke været muligt at stykke dem sammen til et komplet billede. Imidlertid, kombinationen af ​​flere fysisk-kemiske metoder, da vi anvendte dem, var endelig i stand til at vise os, hvordan de enkelte molekylære samlinger er fordelt i bitumenet." "Dette gjorde det muligt for os at løse gåden og fuldende vores viden om bitumen, " tilføjer Ayse Koyun, der gennemfører to forskningsophold på Harvard University som en del af et Marshall-stipendium og med støtte fra TU Wien.