Hilfe für historische Gebäude: Nanopartikel festigen poröses Gestein

Zahlreiche Kirchen, Schlösser und repräsentative Bürgerhäuser sind aus Sandstein gebaut, zum Beispiel auch der bekannte Stephansdom in Wien. Der Sandstein gehört zur Klasse der Natursteine, genauer gesagt zu den sogenannten Sedimentgesteinen. Sie entstehen über viele Jahrzehnte und meist sogar eher Jahrhunderte. Dafür müssen sich Gesteine und lebende Organismen zersetzen. Mineralische Bestandteile machen deshalb auch immer mehr als die Hälfte des Sandsteins aus. Und sie sind maximal zwei Millimeter groß. Daraus ergibt sich schon, dass diese Art von Steinen eher zu den weicheren Natursteinen zählt. Anders als Granit, der ein deutlich härterer Vertreter derselben Gattung ist.

Kalksandstein nimmt CO2 auch wieder auf

Der Sandstein lässt sich relativ gut bearbeiten, weshalb er häufig für Fassaden, deren Elemente und Mauerwerk verwendet wurde – vor allem für inzwischen historische Gebäude, die zum größten Teil auch unter Denkmalschutz stehen. Allerdings verwittert dieser Stein auch schnell und wird porös. Die Folge: Bei historischen Gebäuden stehen dann in der Regel sehr aufwendige und kostspielige Restaurierungen an. Forschende der Technischen Universität Wien (TU Wien) beschäftigen sich schon seit einiger Zeit damit, Nanopartikel aus Silikat zu verwenden. Sie sollen das Gestein widerstandsfähiger gestalten. Bislang war ihnen allerdings nicht ganz klar, wie der Prozess dahinter genau abläuft. Also wie verhärtet sich das Gestein und welche Partikel sind dafür am besten geeignet? Mit diesen Fragen hat sich ein Forscherteam der TU Wien und der Universität Oslo aktuell noch einmal beschäftigt. Ihnen gelang es, mithilfe von Experimenten am Synchrotron DESY in Hamburg jetzt neuere Ergebnisse vorzuweisen.

Nanopartikel schließen sich zu kolloidalen Kristallen zusammen

Die gängigste Methode, um diese Nanopartikel in das Gestein zu bekommen, ist über eine Flüssigkeit. Darin schwimmen die Partikel frei herum. „Wenn diese Suspension in das Gestein gelangt, verdunstet der wässrige Anteil, die Nanopartikel bilden stabile Brücken zwischen den Sandkörnern und verleihen dem Gestein zusätzliche Stabilität“, erläutert Markus Valtiner, Professor am Institut für Angewandte Physik an der TU Wien. Diese Methode wird bei Restaurationen von Gebäuden oder Gebäudeteilen bereits erfolgreich angewendet. Der Kristallisationsprozess an sich war den Forschenden so weit klar: Das Wasser verdunstet und es kommt zur Kristallisation. Allerdings stellten sie fest, dass sich nicht nur einzelne Atome regelmäßig anordnen können, sondern auch ganze Nanopartikel. Gemeint ist dann ein sogenannter „kolloidaler Kristall“. Bislang fehlte den Forschenden detailreicheres Wissen rund um diese physikalischen Prozesse.

Beobachten konnten Sie, dass Nanopartikel aus Silikat sich zu solchen kolloidalen Kristallen zusammenfinden, sobald die Flüssigkeit im Gestein trocknete. Sie erzeugten neue Verbindungen zwischen den einzelnen Sandkörnern. Und genau das führte am Ende dazu, dass das Gestein fester wurde. Die sogenannte Synchrotronanlage DESY in Hamburg sollte dem Team dabei helfen, den Kristallisationsprozess genauer zu erforschen. Die Anlage erzeugt besonders starke Röntgenstrahlen und genau die sind auch notwendig, damit die Analyse des Prozesses während der Trocknungsphase überhaupt möglich ist.

Nanopartikel festigen Sandstein, wenn sie besonders klein sind

Für die Röntgenanalyse setzte das Forscher-Team der TU Wien und der Universität Oslo unterschiedlich große Nanopartikel in verschiedenen Konzentrationen ein. Das Ergebnis: Die Größe der Partikel ist entscheidend für die optimale Festigkeit. Darüber hinaus analysierten die Forschenden auch noch die Haftkraft, die durch kolloidale Kristalle entsteht. Das gelang mithilfe eines sogenannten Interferenzmikroskops. Es dient dazu, besonders geringe Kräfte zwischen zwei Oberflächen zu messen.

„Wir konnten zeigen: Je kleiner die Nanopartikel, umso mehr verstärken sie den Zusammenhalt zwischen den Sandkörnern“, erklärt Joanna, Dziadkowiec, Wissenschaftlerin an der Universität Oslo und der TU Wien sowie Erstautorin der Publikation, in der die Ergebnisse der Forschung erstmals veröffentlicht worden sind. „Wenn man kleinere Partikel verwendet, entstehen mehr Bindungsstellen im kolloidalen Kristall zwischen zwei Sandkörnern, und mit der Zahl der beteiligten Partikel steigt damit auch die Kraft, mit der sie die Sandkörner zusammenhalten“, sagt Dziadkowiec. Ebenfalls relevant sei die Anzahl der Partikel innerhalb der Emulsion. Dann verlaufe der Prozess der Kristallisation leicht unterschiedlich. Das beeinflusse am Ende auch, wie die kolloidalen Kristalle im Detail entstehen. Mit diesen Erkenntnissen hoffen die Forschenden, dass Restaurierungsarbeiten künftig zielgerichteter ablaufen können und am Ende länger halten.

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