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Pulsierende Auflösung von Kristallen

Forscher aus Bremen und Dresden entdecken einen neuen Prozess, wie sich kristallines Material dymamisch statt kontinuierlich auflöst.




Die Abbildung zeigt keine topographische Karte, sondern die Auflösungsrate von Kristallen. Deutlich erkennbar sind in dem Diagramm die Pulse, die Kraterwellen ähneln. [Bildquelle: © MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen]
Kristallisations-Pulse

Zuckerwürfel lösen sich in Tee oder Kaffee, Carbonate im Wasser der Meere und Ozeane. Bisher haben Wissenschaftler vermutet, dass sich solche Kristalle kontinuierlich in einer Flüssigkeit auflösen. Privatdozent Dr. Cornelius Fischer und Professor Dr. Andreas Lüttge vom MARUM - dem Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität in Bremen - haben nun aber einen speziellen Prozess der Materialauflösung entdeckt, der sich auch auf die quantitative Vorhersagbarkeit natürlicher und technischer Prozesse auswirken wird. Statt in einem kontinuierlichen Prozess lösen sich Kristalle in Pulsen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse haben die beiden in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (kurz: PNAS) veröffentlicht (siehe Artikelhinweis unten).

Wie sich kristallines Material in einer Flüssigkeiten verhält ist bestimmend für ganz alltägliche Prozesse in der Natur wie auch in technischen Anwendungen - Beispiele hierzu sind Korrosion von Metallen oder die Verwitterung von carbonathaltigen Gesteinen. Auch die Aufnahme von medizinischen Wirkstoffen im Organismus zählt hierzu: Wie lange dauert es, bis ein Medikament resorbiert wird und sich der Wirkstoff freisetzt? Bislang, so die Autoren des Artikels, sei man davon ausgegangen, dass die Reaktionsprodukte beständig und in einem kontinuierlichen Auflösungs-Prozess von der Kristalloberfläche freigesetzt werden.

"Neue experimentelle und analytische Ergebnisse zeigen aber etwas grundlegend Anderes: Material wird in einer Folge von Reaktionspulsen freigesetzt", erklärt der Erstautor der Studie Dr. Cornelius Fischer am MARUM. Das heisst, dass die zeitliche und räumliche Verteilung der Materialfreisetzung grundsätzlich anders funktioniert als bisher gedacht. Interessant wird es, wenn sich solche Pulse der Materialfreisetzung überlagern, denn so könnten völlig neue Porenmuster in Festkörpern entstehen. Ein Beispiel für eine klassische Anwendung ist die Durchlässigkeit sonst dichter Festkörper, etwa wie Wasser durch Gestein sickert und so neue Wege für die Flüssigkeit schafft und das Gestein insgesamt poröser wird", sagt Fischer. Das Porenmuster zeigt dann, wie durchlässig das Gestein ist.

 

Relevant für Sicherheits- und Risikobewertung

Die Forschung der Mineralogen ist zum Beispiel relevant für Risiko- und Sicherheitsabschätzungen, etwa wenn es um die Einlagerung von Gasen oder das Entsorgen von nuklearem Material geht - "immer dann", betone Dr. Fischer, "wenn Prognosen für Anwendungen und Prozesse der Flüssigkeit-Festkörper-Reaktionen verbessert werden sollen".

Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse stellen die vorherrschende konzeptionelle Ansicht in Frage, dass die Kristallauflösung einfach der umgekehrte Prozess des kontinuierlichen Kristallwachstums ist! "Solche Pulse wurden für Kristallwachstumsprozesse bislang nicht beobachtet", sagt Cornelius Fischer. Für ihre Studie haben Andreas Lüttge und Fischer, der inzwischen als Abteilungsleiter an das Institut für Ressourcenökologie am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf gewechselt ist, die Auflösung von Calcit und Zinkoxid untersucht. Schnell reagierende Kalzitoberflächen bieten oft ein sehr heterogenes Bild.

"Zinkoxid zum Beispiel eignet sich jedoch gut für eine Beobachtung der Oberflächenveränderungen quasi in Zeitlupe", erklärt Andreas Lüttge. "Als wir zum ersten Mal solche Pulse mit Zinkoxid-Oberflächen entdeckten, war es schwer zu glauben, dass dieses Ergebnis verallgemeinerungsfähig ist. Zu sehr bestimmen die komplexen Reaktionsmuster wie auf Kalzitoberflächen unsere Interpretation. Jetzt sind wir jedoch mit den neuen Ergebnissen in der Lage, solche Muster der Materialfreisetzung besser zu verstehen."

 

Modelle müssen weiter verfeinert werden

Ziel der Untersuchungen von Fischer und Lüttge sind Modelle der quantitativen Prognose. Wie schnell und mit welchen räumlichen Mustern ändern sich Festkörperoberflächen und setzen Material frei? Wie entwickelt sich die Durchlässigkeit von festem Material? Fischer: "In Zukunft werden wir unsere neuen Erkenntnisse in reaktiven Transportmodellen anwenden, um für grundsätzliche und angewandte Fragestellungen eine bessere Vorhersagbarkeit der Materialfreisetzung zu ermöglichen."

MARUM entschlüsselt mit modernsten Methoden und eingebunden in internationale Projekte die Rolle des Ozeans im System Erde - insbesondere im Hinblick auf den globalen Wandel. Es erfasst die Wechselwirkungen zwischen geologischen und biologischen Prozessen im Meer und liefert Beiträge für eine nachhaltige Nutzung der Ozeane. Das MARUM umfasst das DFG-Forschungszentrum und den Exzellenzcluster "Der Ozean im System Erde".


Zusatzinformationen:

Cornelius Fischer und Andreas Luttge:
Pulsating Dissolution of Crystalline Matter.
In: Proceedings of the National Academy of Sciences; online erschienen am 16. Januar 2018, DOI 10.1073/pnas.1711254115

Quelle: MARUM, Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

 


Aktualisiert am 17.01.2018.



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