Luftfeuchtigkeit, die auf Materialoberflächen landet, bildet dünne, unsichtbare Wasserfilme. Diese Filme spielen eine entscheidende Rolle in den Böden und der Atmosphäre der Erde sowie in neuen Technologien. Eine Dissertation an der Universität Umeå wirft 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 hin zu atmosphärischem Staub. Die Anzahl der Wasserschichten, die Mineralien speichern können, wird direkt durch die Luftfeuchtigkeit gesteuert. Tan Luongs Dissertation enthüllt, wie Wasserfilme unterschiedlicher Dicke zwei wichtige Phänomene für Natur und Technologie beeinflussen: die Umwandlung von Mineralien und den Abbau organischer Stoffe. Seine Entdeckungen tragen zu neuen Grundlagenwissenschaften bei, die dringend benötigt werden, um einige der größten Herausforderungen der Menschheit wie die globale Erwärmung und die Kontrolle der Umweltverschmutzung zu bewältigen.
Neue Mineralien können aus Ionen – geladenen Atomen oder Molekülen – wachsen, die sich aus Primärmineralien in Wasserfilme auflösen. Diese Ionen reagieren weiter mit Umweltgasen wie Kohlendioxid und Sauerstoff und wachsen zu neuen Mineralien heran, die die Funktion des Primärminerals verändern können.
Extrem dünne Wasserfilme, die teilweise Mineraloberflächen bedecken, können immer noch Mineralwachstum beherbergen, allerdings nur in zwei Dimensionen, ähnlich dem seitlichen Wachstum eines einzelnen Blattes Papier. Im Gegensatz dazu stimulieren dickere Wasserfilme mit mehr als einer Schicht das dreidimensionale Wachstum, genau wie das Stapeln vieler Blatt Papier zu einem Buch.
„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 Batterieentwicklung und Strategien zur Schadstoffentfernung“, sagt Tan Luong.
Viele Technologien zur Kohlendioxid (CO2)-Abscheidung stehen vor dem Problem der energetischen Kosten, die wiederum einen CO2-Fußabdruck hinterlassen können. Daher könnte eine umweltfreundliche Lösung, die die Art und Weise nachahmt, wie natürliche Steine, wie zum Beispiel Stalagmiten in Höhlen, CO2 einfangen, dazu beitragen, null Emissionen zu erreichen.
Zu diesem Zweck untersuchte Tan Luong die CO2-Abscheidungsfähigkeit von Magnesia (MgO), einem Baustein gezielter Minenabfälle, der ein potenzielles Material für die Entwicklung umweltfreundlicherer Technologien darstellt. Er fand jedoch heraus, dass die ultradünnen Magnesiumcarbonat-Produktbeschichtungen die Reaktionen wirksam vergiften können. Anschließend identifizierte er einen vielversprechenden Weg, dieser Engpass durch chemischen Angriff bei extrem hoher Luftfeuchtigkeit zu umgehen.
„Wir haben das Potenzial von MgO für die CO2-Abscheidung unter dynamischen Feuchtigkeitsbedingungen hervorgehoben. Um eine umweltfreundliche und effiziente Abscheidung zu erreichen, sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um die Beschichtungen zu vermeiden, die die Reaktionen behindern“, sagt Tan Luong.
Tan Luongs Studie enthüllte auch, wie Sauerstoff- und Wasserfilme die Umwandlung organischer Schadstoffe in harmlose Substanzen – wie CO2 und Wasser – beschleunigen oder verlangsamen, und zwar durch einen Ansatz, der Lichtenergie in chemische Energie umwandelt. Seine Erkenntnisse erweitern dann unser grundlegendes Wissen, das für Innovationen in den Wasser- und Luftreinigungstechnologien notwendig ist.
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These: Durch Wasserfilm vermittelte mineralogische Umwandlungen und photokatalytische Reaktionen