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 derTechnischen Universität (TU) Wien und der Universität Oslo konnte nun durch aufwändige Experimente an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III und mit mikroskopischen Untersuchungen in Wien genau klären, wie dieser künstliche Härtungsprozess abläuft und dadurch bestimmen, welche Nanopartikel dafür am besten geeignet sind. Die Ergebnisse sind im Fachblatt „Langmuir“ veröffentlicht.
„Man verwendet eine Suspension, also eine Flüssigkeit, in der die Nanopartikel zunächst frei herumschwimmen“, erklärt Forschungsleiter Markus Valtiner von 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. Um diesen Kristallisationsprozess genau zu beobachten, nutze das Forschungsteam der TU Wien die brillante Röntgenstrahlung von PETRA III. An der Messstation P21.2 analysierten sie damit die Kristallisation während des Trockungsprozesses.
„Das war sehr wichtig, um genau zu verstehen, wovon die Stärke der entstehenden Bindungen abhängt“, sagt Hauptautorin Joanna Dziadkowiec von der Universität Oslo und der TU Wien. „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. „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.
Literatur
- Cohesion Gain Induced by Nanosilica Consolidants for Monumental Stone Restoration; Joanna Dziadkowiec, Hsiu-Wei Cheng, Michael Ludwig, Matea Ban, Timon Pascal Tausendpfund, Regine von Klitzing, Markus Mezger, and Markus Valtiner; „Langmuir“, 2022;