Wasserfilme - die stillen Architekten der chemischen Umwandlungen
Wenn Luftfeuchtigkeit auf Oberflächen von Materialien auftrifft, bilden sich dünne, unsichtbare Wasserfilme. Diese Filme spielen eine entscheidende Rolle in den Böden und der Atmosphäre der Erde sowie in neuen Technologien. Eine Arbeit der Universität Umeå wirft ein neues Licht darauf, wie dieser stille Architekt chemische Reaktionen vermittelt.
Wasserfilme sind praktisch auf allen Mineralien vorhanden, die der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, von trockenen Böden bis zu atmosphärischem Staub. Die Anzahl der Wasserschichten, die Mineralien speichern können, wird direkt von der Luftfeuchtigkeit gesteuert. Tan Luongs Dissertation enthüllt, wie unterschiedlich dicke Wasserfilme zwei für Natur und Technik wichtige Phänomene beeinflussen: die Umwandlung von Mineralien und den Abbau von organischen Stoffen. Seine Entdeckungen tragen zu neuen wissenschaftlichen Grundlagen bei, die dringend benötigt werden, um einige der größten Herausforderungen der Menschheit, wie die globale Erwärmung und die Bekämpfung der Umweltverschmutzung, zu bewältigen.
Wächst in mehreren Dimensionen
Neue Mineralien können aus Ionen - geladenen Atomen oder Molekülen - entstehen, die sich aus Primärmineralien in Wasserfilmen lösen. Diese Ionen reagieren weiter mit Umweltgasen wie Kohlendioxid und Sauerstoff und wachsen zu neuen Mineralien heran, die die Funktion des primären Minerals verändern können.
Extrem dünne Wasserfilme, die die Mineraloberflächen teilweise bedecken, können immer noch ein Mineralwachstum ermöglichen, allerdings nur in zwei Dimensionen, ähnlich dem Wachstum eines einzelnen Blattes Papier in Querrichtung. Im Gegensatz dazu stimulieren dickere Wasserfilme mit mehr als einer Schicht ein dreidimensionales Wachstum, so als würde man viele Blätter Papier zu einem Buch stapeln.
"Dieses Wissen ist für die Herstellung von Materialien in Umgebungen mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit von Vorteil. Größe und Form von Materialien beeinflussen ihre Funktionen in fortschrittlichen Technologien, einschließlich der Entwicklung von Batterien und Strategien zur Beseitigung von Schadstoffen", sagt Tan Luong.
Umweltfreundliche CO2-Abscheidung
Viele Technologien zur Abscheidung von Kohlendioxid (CO2) haben mit Energiekosten zu kämpfen, die ihrerseits einen ökologischen Fußabdruck hinterlassen können. Eine umweltfreundliche Lösung, die nachahmt, wie natürliche Gesteine, z. B. Stalagmiten in Höhlen, CO2 einfangen, könnte daher dazu beitragen, Nullemissionen zu erreichen.
Zu diesem Zweck untersuchte Tan Luong die CO2-Bindungskapazität von Magnesia (MgO), einem Baustein von Bergbauabfällen, der ein potenzielles Material für die Entwicklung umweltfreundlicherer Technologien ist. Er stellte jedoch fest, dass die ultradünnen Magnesiumcarbonatschichten die Reaktionen effektiv vergiften können. Daraufhin identifizierte er einen vielversprechenden Weg, der diesen Engpass durch einen chemischen Angriff bei extrem hoher Luftfeuchtigkeit umgehen kann.
"Wir haben das Potenzial von MgO für die Abscheidung von CO2 unter dynamischen Feuchtigkeitsbedingungen aufgezeigt. Um eine umweltfreundliche und effiziente Abscheidung zu erreichen, ist jedoch noch mehr Arbeit erforderlich, um die Beschichtungen zu vermeiden, die die Reaktionen behindern", sagt Tan Luong.
Die Rolle des Sauerstoffs
Tan Luongs Studie hat auch gezeigt, wie Sauerstoff- und Wasserfilme die Umwandlung von organischen Schadstoffen in harmlose Substanzen - wie CO2 und Wasser - beschleunigen oder verlangsamen, indem sie Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Seine Erkenntnisse erweitern somit unser Grundlagenwissen, das für Innovationen in der Wasser- und Luftreinigungstechnologie notwendig ist.
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