Fältspat är ett allestädes närvarande mineral och utgör ungefär hälften av jordskorpan. I jordens atmosfär spelar fältspat en förvånansvärt viktig roll. Fint pulver som transporteras av luft påverkar molnbildningen. Vattenmolekyler fäster bättre vid fältspatdamm än till andra partiklar. Små fältspatkorn, som flyter i atmosfären, blir på så sätt utmärkta kärnbildningsfrön, där vattenmolekyler fastnar och fryser och så småningom bildar ett moln.
Det är oklart varför fältspat har denna enastående förmåga att binda vatten effektivt och möjliggöra molnbildning. Med hjälp av ett mycket känsligt atomkraftsmikroskop har forskare vid TU Wien visat att fältspatytans unika geometri ger den perfekta förankringspunkten för OH-grupper av väte och syre – och därefter för vatten.
Studien publiceras i The Journal of Physical Chemistry Letters .
"Forskare funderade på flera idéer varför fältspat är ett så effektivt kärnbildningsfrö", säger prof. Ulrike Diebold från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien, som ledde projektet. "Det kan bero på kaliumatomer som finns i fältspat, eller kanske vissa defekter i dess kristallstruktur."
För att ta reda på det använde TU-forskare ett känsligt atomkraftmikroskop. I detta mikroskop skannas kristallens yta med en fin spets punkt för punkt. Kraften mellan spetsen och ytan ger en bild med hög upplösning, där positionen för varje atom kan bestämmas exakt.
"Vi placerade en bit fältspat i mikroskopets vakuumkammare och delade den på mitten för att få en orörd och ren yta", säger Giada Franceschi, studiens första författare. "Vi blev förbryllade över resultaten:bilderna av ytan såg annorlunda ut än vad vanliga teorier hade förutspått."
Orsaken hittades snabbt:Små vatteninneslutningar i berget var de skyldiga. När stenen bryts isär frigörs lite vattenånga. Denna ånga fäster vid den nysplittrade ytan och vattenmolekylerna bryts isär och bildar hydroxylgrupper (OH). "Under mikroskopet ser man inte själva fältspatytan utan en yta täckt med hydroxylgrupper", förklarar Giada Franceschi. "I naturen är fältspatytan också täckt med ett sådant hydroxylskikt."
På grund av fältspatkristallens geometri är dessa hydroxylgrupper placerade på ett sätt som gör dem till idealiska förankringspunkter för vattenmolekyler. Vattenmolekyler kan docka till hydroxylgrupperna som byggstenar som passar ihop exakt. Därmed bildar hydroxylskiktet den perfekta kopplingen mellan fältspat och vattnet som fäster som is. "Bindningen etableras väldigt enkelt och snabbt, och den är också väldigt stabil", säger Ulrike Diebold. "För att ta bort hydroxylskiktet från fältspat måste man värma det till hög temperatur." Datorsimuleringar stöder också detta fynd.
Resultaten ger insikt i varför specifika kristaller i vår atmosfär är särskilt väl lämpade som molnbildande kärnbildande frön. Särskilt inför klimatförändringarna är det viktigt att bättre förstå molnbildningens fysik. Och ibland, som forskningsprojektet vid TU Wien visar, måste man gräva djupt in i atomernas värld.
Mer information: Giada Franceschi et al, How Water Binds to Microcline Feldspat (001), The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03235
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry Letters
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
