Nanopartikler kan redde historiske bygninger lavet af porøs sten

Mange historiske bygninger blev bygget af sandsten, herunder Wiens St. Stephen's Cathedral. Sandsten er nem at arbejde med, men tåler ikke vejrlig. Den består af sandkorn, der er relativt svagt bundet til hinanden, hvorfor dele af stenen med årene smuldrer væk, hvilket ofte kræver en kostbar restaurering.

Det er dog muligt at øge stenens modstand ved at behandle den med specielle silikatnanopartikler. Metoden er allerede i brug, men hvad der præcist sker i processen, og hvilke nanopartikler der er bedst egnede til formålet, har indtil nu været uklart. Et forskerhold fra TU Wien og Universitetet i Oslo har nu været i stand til at afklare præcis, hvordan denne kunstige hærdningsproces foregår gennem omfattende eksperimenter på DESY-synkrotronen i Hamborg og med mikroskopiske undersøgelser i Wien. Holdet fastslog også, hvilke nanopartikler der er bedst egnede til dette formål. Deres undersøgelse blev offentliggjort i Langmuir .

En vandig suspension med nanopartikler

"Vi bruger en suspension, en væske, hvori nanopartiklerne i starten flyder frit rundt," siger prof. Markus Valtiner fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien. "Når denne suspension kommer ind i klippen, så fordamper den vandige del, nanopartiklerne danner stabile broer mellem sandkornene og giver klippen yderligere stabilitet."

Denne metode bruges allerede inden for restaureringsteknologi, men indtil nu har man ikke vidst præcist, hvilke fysiske processer der finder sted. Når vandet fordamper, sker der en helt særlig form for krystallisation:Normalt er en krystal et regulært arrangement af individuelle atomer. Ikke kun atomer, men også hele nanopartikler kan arrangere sig selv i en regulær struktur - dette omtales så som en "kolloid krystal."

Silikatnanopartiklerne går sammen og danner sådanne kolloide krystaller, når de tørrer i bjerget og skaber dermed i fællesskab nye forbindelser mellem de enkelte sandkorn. Dette øger sandstenens styrke.

Målinger på det storstilede forskningsanlæg DESY og i Wien

For at observere denne krystalliseringsproces i detaljer brugte TU Wiens forskningsteam DESY synkrotronanlæg i Hamborg. Der kan genereres ekstremt stærke røntgenstråler, som kan bruges til at analysere krystallisationen under tørreprocessen.

"Dette var meget vigtigt for at forstå præcis, hvad styrken af ​​de bindinger, der dannes, afhænger af," siger Joanna Dziadkowiec (Universitetet i Oslo og TU Wien), den første forfatter til den publikation, hvor forskningsresultaterne nu er blevet præsenteret. "Vi brugte nanopartikler af forskellig størrelse og koncentration og studerede krystallisationsprocessen med røntgenanalyser." Det blev vist, at partiklernes størrelse er afgørende for optimal øget styrke.

Til dette formål målte TU Wien også klæbekraften skabt af de kolloide krystaller. Til dette formål blev der brugt et specielt interferensmikroskop, som er perfekt egnet til at måle bittesmå kræfter mellem to overflader.

Små partikler, mere kraft

"Vi var i stand til at vise:Jo mindre nanopartiklerne er, jo mere kan de styrke sammenhængen mellem sandkornene," siger Joanna Dziadkowiec. "Bruger man mindre partikler, skabes der flere bindingssteder i den kolloide krystal mellem to sandkorn, og med antallet af involverede partikler stiger den kraft, hvormed de holder sandkornene sammen, således også."

Hvor mange partikler der er til stede i emulsionen er også vigtigt. "Afhængig af partikelkoncentrationen forløber krystallisationsprocessen lidt forskelligt, og det har indflydelse på, hvordan de kolloide krystaller dannes i detaljer," siger Markus Valtiner. De nye resultater skal nu bruges til at gøre restaureringsarbejdet mere holdbart og mere målrettet. + Udforsk yderligere

Nye materialer:En vippekontakt til katalyse