Medan atomkraftsmikroskopi och svepelektronmikroskopi har gett information om morfologin hos bitumenytor tidigare, det var inte känt om yta och kemisk sammansättning korrelerar med varandra. Dock, den kemiska sammansättningen av ytan är av särskilt intresse eftersom oxidationsprocesser äger rum där, utlöses av syrehaltiga molekyler i luften som ozon, kväveoxider eller hydroxylradikaler. Oxidationsprocessen påskyndar materialets åldrande – bitumenet blir poröst och skador uppstår.

Materialkemisterna Dr Ayse Koyun och Prof. Hinrich Grothe från TU Wien undersökte därför bitumenytan med olika fysikalisk-kemiska analysmetoder och jämförde respektive resultat med varandra. Forskarna publicerade uppgifterna den 29 juni i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Ett mångsidigt material

Bitumen framställs av petroleum och används främst för framställning av asfalt. Dess konsistens beror till stor del på temperaturen - vid heta temperaturer är den trögflytande och större kemiska föreningar som alifatiska föreningar, petroleumhartser och asfaltener rör sig fritt i massan. När bitumenet svalnar, dock, materialet stelnar och de enskilda molekylerna ordnar sig i karaktäristiska mönster. Analyser har redan visat att så kallade kärna-skal-partiklar bildas på ytan. Dessa är kompositer som består av minst två olika komponenter.

Eftersom asfalt och bitumen används för vägbyggen såväl som för tätskiktsarbeten, längsta möjliga produktlivslängd är önskvärt. För att bromsa åldrandet av materialet, reaktioner som utlöses av reaktiva gaser, ljus och värme måste minimeras. "När vi förstår bitumens oxidationsbeteende bättre, vi kan leta efter lämpliga åtgärder för att förhindra atmosfäriskt åldrande. Detta kan förlänga livslängden för en bitumenprodukt med många år, spara energi och materialresurser, " förklarar Koyun. I en studie publicerad i Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, hon har redan kunnat visa hur bitumens kemiska sammansättning påverkar dess åldringsprocess.

Blandning av metoder ger ny information

I nära samarbete med Harvard University, Bruker Nano-Surfaces Division samt IONTOF GmbH, Ayse Koyun, första författare till studien, undersökte bitumenytan med tre olika metoder:infraröd spektroskopi i nanoskala baserad på fototermisk expansion (AFM-IR), time-of-flight sekundär jonmasspektrometri (ToF-SIMS) och fluorescensmikroskopi. I kombination, dessa metoder ger värdefulla insikter om bitumenytans flerfasiga natur. "Upplösningen för konventionella mätmetoder som används för att studera ytsammansättning är för låg för kemisk karakterisering. Individuella domäner av ytan kan inte bestämmas på detta sätt, " förklarar Koyun. "Men, genom att kombinera olika fysikalisk-kemiska metoder, vi lyckas kartlägga strukturen ner till tio nanometer." Resultatet:ytan är heterogen. Fynden av mikroskopiska och spektroskopiska metoder korrelerar och kan tolkas övertygande.

En komplett bild skapas

"Under en lång tid, bitumen var som ett olöst pussel för oss materialkemister, säger Hinrich Grothe, chef för forskargruppen Atmosfärens fysikaliska kemi. "Vi känner till många detaljer, men hittills har det inte varit möjligt att få ihop dem till en helhetsbild. Dock, kombinationen av flera fysikalisk-kemiska metoder, när vi tillämpade dem, kunde äntligen visa oss hur de enskilda molekylära sammansättningarna är fördelade i bitumenet." "Detta gjorde att vi kunde lösa pusslet och komplettera vår kunskap om bitumen, " tillägger Ayse Koyun, som genomför två forskningsvistelser vid Harvard University som en del av ett Marshall-stipendium och med stöd från TU Wien.