Neuer Mechanismus der Bildung von Aluminiumoxyhydroxid
Zusatzbasierte Kontrolle der Aluminiumoxyhydroxidbildung eröffnet unter Umständen gänzlich neuartige Anwendungen der Aluminiumchemie
Aluminiumverbindungen finden schon seit dem 19. Jahrhundert Anwendung in der Industrie: als Flammschutzmittel, in Sonnencremes und Zahnpasten oder auch in der Medizin als Mittel, um Magensäure zu binden. Jetzt konnten Wissenschaftler des Instituts für Anorganische Chemie erstmals einen neuen Mechanismus der Bildung von Aluminiumoxyhydroxidpartikeln in wässrigen Lösungen experimentell bestätigen.
Elementaranalyse eines Aluminiumoxyhydroxidpartikels entsprechend der Verteilungen von Aluminium (rot, links) und Sauerstoff (grün, rechts) in der Rasterelektronenmikroskopie (künstlerisch bearbeitet) und die chemische Struktur der Pränukleationscluster (oben).
© Miodrag Lukić
"Das in dieser Studie gewonnene, neuartige Verständnis des Nukleationsmechanismus im Aluminiumsystem ist sehr wichtig, um potentielle Anwendungen der Aluminiumchemie zu erweitern", sagt Dr. Miodrag Lukić, Erstautor der Studie, die jüngst in der Open-Access-Fachzeitschrift Science Advances erschienen ist. In der Praxis werden Aluminiumverbindungen beispielsweise in nachhaltigen Energiequellen wie Aluminiumionen-Batterien genutzt, helfen bei der Abwasserbehandlung oder dienen in neuartigen metallorganischen Gerüstverbindungen als Basis für Biosensoren und Wärmeaustausch. Auch eine Anwendung in Impfstoffen ist möglich.
Ein genaues Verständnis der Bildungsmechanismen aus wässrigen Lösungen war lange dadurch erschwert, dass Aluminiumionen sehr reaktive Mischungen bilden, in denen unterschiedliche chemische Vorgänge gleichzeitig passieren. Durch die Realisierung wohldefinierter Bedingungen in Kombination mit verschiedenen Techniken chemischer Analytik konnte nunmehr ein neuartiger Mechanismus der Entstehung der ersten Aluminiumoxyhydroxidkeime erstmals experimentell bestätigt werden.
Eine auf Basis der Forschungen von Prof. Dr. Denis Gebauer vom Institut für Anorganische Chemie der LUH entwickelte Theorie führt die Keimbildung auf kleinste stabile Zusammenlagerungen von Ionen - sogenannte Pränukleationsclustern - zurück, wo chemische Aspekte von zentraler Bedeutung sind. Dies unterscheidet sich von der etablierten Lehrbuchmeinung, die aus einem rein physikalischen Blickwinkel hauptsächlich die Größe der Keime als zentralen Parameter in der Keimbildung betrachtet.
Die Studie hat nun gezeigt, dass in homogenen, wässrigen Aluminiumlösungen hoch-dynamische Aluminiumhydroxid-Pränukleationscluster vorliegen. Bei der Keimbildung spielt die genaue chemische Umgebung der Al-Spezies in diesen Clustern die Hauptrolle. Chemisch gesehen ist der Übergang von Hydroxyl-Verbrückungen zu Sauerstoff-Verbrückungen die entscheidende Stufe, wobei sich auch die Anzahl der jeweiligen chemischen Nachbarn um die Aluminiumionen herum ändert.
Außerdem ergibt sich eine neue, chemische Perspektive auf die Toxizität von Aluminium, da dieses Metall oft in Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen gebracht wird, aber auch mit der Versauerung von Böden und aquatischen Systemen. Die neuen Erkenntnisse eröffnen einen völlig neuen Spielraum zur Erforschung der Wechselwirkungen von Aluminiumionen mit verschiedenen (an)organischen Zusatzstoffen; denn die zusatzbasierte Kontrolle der Aluminiumoxyhydroxidbildung eröffnet unter Umständen auch gänzlich neuartige Anwendungen der Aluminiumchemie.
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