Restaureringsarbete vid Stefansdomen i Wien. Kredit:Archiv der Dombauhütte St. Stephan
Många historiska byggnader byggdes av sandsten, inklusive Wiens St. Stefans katedral. Sandsten är lätt att arbeta med, men tål inte väderpåverkan. Den består av sandkorn som är relativt svagt bundna till varandra, varför delar av stenen smulas bort med åren, vilket ofta kräver kostsam restaurering.
Det är dock möjligt att öka stenens motstånd genom att behandla den med speciella silikatnanopartiklar. Metoden används redan, men vad som exakt händer i processen och vilka nanopartiklar som är bäst lämpade för detta ändamål har hittills varit oklart. En forskargrupp från TU Wien och Universitetet i Oslo har nu kunnat klargöra exakt hur denna artificiella härdningsprocess går till genom utarbetade experiment vid DESY-synkrotronen i Hamburg och med mikroskopiska undersökningar i Wien. Teamet bestämde också vilka nanopartiklar som är bäst lämpade för detta ändamål. Deras studie publicerades i Langmuir .
En vattenhaltig suspension med nanopartiklar
"Vi använder en suspension, en vätska, i vilken nanopartiklarna initialt flyter fritt", säger prof. Markus Valtiner från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien. "När denna suspension kommer in i berget, då avdunstar den vattenhaltiga delen, nanopartiklarna bildar stabila broar mellan sandkornen och ger berget ytterligare stabilitet."
Denna metod används redan inom restaureringsteknik, men hittills var det inte känt exakt vilka fysiska processer som äger rum. När vattnet avdunstar sker en mycket speciell sorts kristallisering:Normalt är en kristall ett regelbundet arrangemang av enskilda atomer. Men inte bara atomer, utan även hela nanopartiklar kan ordna sig i en regelbunden struktur - detta kallas då för en "kolloidal kristall."
Silikatnanopartiklarna går samman för att bilda sådana kolloidala kristaller när de torkar i berget och skapar därmed tillsammans nya kopplingar mellan de enskilda sandkornen. Detta ökar styrkan på sandstenen.
Mätningar vid den storskaliga forskningsanläggningen DESY och i Wien
För att observera denna kristalliseringsprocess i detalj använde TU Wiens forskargrupp DESY synkrotronanläggning i Hamburg. Där kan extremt starka röntgenstrålar genereras, som kan användas för att analysera kristallisationen under torkprocessen.
"Detta var väldigt viktigt för att förstå exakt vad styrkan hos de bindningar som bildas beror på", säger Joanna Dziadkowiec (Universitetet i Oslo och TU Wien), första författare till publikationen där forskningsresultaten nu har presenterats. "Vi använde nanopartiklar av olika storlekar och koncentrationer och studerade kristalliseringsprocessen med röntgenanalyser." Det visades att storleken på partiklarna är avgörande för optimal ökad hållfasthet.
För detta ändamål mätte TU Wien också den vidhäftningskraft som skapades av de kolloidala kristallerna. För detta ändamål användes ett speciellt interferensmikroskop, som är perfekt lämpat för att mäta små krafter mellan två ytor.
Små partiklar, mer kraft
"Vi kunde visa:Ju mindre nanopartiklarna är, desto mer kan de stärka sammanhållningen mellan sandkornen", säger Joanna Dziadkowiec. "Om man använder mindre partiklar skapas fler bindningsställen i den kolloidala kristallen mellan två sandkorn och med antalet inblandade partiklar ökar alltså också kraften med vilken de håller ihop sandkornen."
Hur många partiklar som finns i emulsionen är också viktigt. – Beroende på partikelkoncentrationen fortskrider kristalliseringsprocessen något annorlunda, och det påverkar hur de kolloidala kristallerna bildas i detalj, säger Markus Valtiner. De nya rönen ska nu användas för att göra restaureringsarbetet mer hållbart och mer målinriktat. + Utforska vidare
