Nanopartikel retten historische Gebäude

Gebäude aus porösem Gestein können mit den Jahren stark verwittern. An der TU Wien wurde nun erstmals genau untersucht, wie Silikat-Nanopartikel wieder für mehr Festigkeit sorgen können.

Viele historische Gebäude wurden aus Sandstein gebaut, etwa der Wiener Stephansdom. Sandstein lässt sich leicht bearbeiten, hält aber der Verwitterung schlecht stand. Er besteht aus Sandkörnern, die relativ schwach aneinander gebunden sind, daher bröckeln im Lauf der Jahre immer wieder Teile des Gesteins ab, oft sind aufwändige Restaurierungen notwendig.

Man kann die Widerstandskraft des Gesteins aber erhöhen, indem man sie mit speziellen Nanopartikeln aus Silikat behandelt. Die Methode wird bereits eingesetzt, was dabei allerdings genau passiert und welche Nanopartikel dafür am besten geeignet sind, war bisher unklar. Ein Forschungsteam der TU Wien und der Universität Oslo konnte nun durch aufwändige Experimente am Synchrotron DESY in Hamburg und mit mikroskopischen Untersuchungen in Wien genau klären, wie dieser künstliche Härtungsprozess abläuft und dadurch bestimmen, welche Nanopartikel dafür am besten geeignet sind.

Eine wässrige Suspension mit Nanopartikeln

„Man verwendet eine Suspension, also eine Flüssigkeit, in der die Nanopartikel zunächst frei herumschwimmen“, erklärt Prof. Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Wenn diese Suspension in das Gestein gelangt, dann verdunstet der wässrige Anteil, die Nanopartikel bilden stabile Brücken zwischen den Sandkörnern und verleihen dem Gestein zusätzliche Stabilität.“

Diese Methode wird in der Restaurierungstechnik bereits angewandt, aber man wusste bisher nicht genau, welche physikalischen Prozesse dabei ablaufen. Wenn das Wasser verdunstet, dann kommt es zu einer ganz speziellen Art der Kristallisation: Normalerweise ist ein Kristall eine regelmäßige Anordnung einzelner Atome. Doch nicht nur Atome, sondern auch ganze Nanopartikel können sich in einer regelmäßigen Struktur anordnen – man spricht dann von einem „kolloidalen Kristall“.

Die Silikat-Nanopartikel finden sich beim Trocknen im Gestein zu solchen kolloidalen Kristallen zusammen und erzeugen dadurch gemeinsam neue Verbindungen zwischen den einzelnen Sandkörnern. Dadurch wird die Festigkeit des Sandsteins erhöht.

Messungen in der Großforschungsanlage DESY und in Wien

Um diesen Kristallisationsprozess genau zu beobachten, nutze das Forschungsteam der TU Wien die Synchrotronanlage DESY in Hamburg. Dort können extrem starke Röntgenstrahlen erzeugt werden, mit denen man die Kristallisation während des Trockungsprozesses analysieren kann.

„Das war sehr wichtig, um genau zu verstehen, wovon die Stärke der entstehenden Bindungen abhängt“, sagt Joanna Dziadkowiec (Universität Oslo und TU Wien), die Erstautorin der Publikation, in der die Forschungsergebnisse nun präsentiert wurden. „Wir haben unterschiedlich große Nanopartikel in unterschiedlicher Konzentration verwendet und den Kristallisationsprozess mit Röntenanalysen untersucht.“ Dabei konnte gezeigt werden, dass die Größe der Partikel für die optimale Festigkeit entscheidend ist.

Dazu wurden an der TU Wien außerdem die Haftkraft gemessen, die durch die kolloidalen Kristalle entsteht. Dafür wurde ein eigenes Interferenzmikroskop verwendet, das auf die Messung winziger Kräfte zwischen zwei Oberflächen spezialisiert ist.

Kleine Partikel, mehr Kraft

„Wir konnten zeigen: Je kleiner die Nanopartikel, umso mehr verstärken sie den Zusammenhalt zwischen den Sandkörnern“, sagt Joanna Dziadkowiec. „Wenn man kleinere Partikel verwendet, entstehen mehr Bindungsstellen im kolloidalen Kristall zwischen zwei Sandkörner, und mit der Zahl der beteiligten Partikel steigt damit auch die Kraft, mit der sie die Sandkörner zusammenhalten.“ Wichtig ist auch, wie viele Partikel in der Emulsion vorhanden sind. „Je nach Partikelkonzentration verläuft der Kristallisationsprozess leicht unterschiedlich, und das hat einen Einfluss darauf, wie sich die kolloidalen Kristalle im Detail ausbilden“, sagt Markus Valtiner. Die neuen Erkenntnisse sollen nun dazu dienen, Restaurierungsarbeiten dauerhafter und zielgenauer zu machen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Markus Valtiner
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13440
markus.valtiner@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

J. Dziadkowiec et al., Cohesion Gain Induced by Nanosilica Consolidants for Monumental Stone Restoration, Langmuir 2022, 38, 22, 6949–6958. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00486

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