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Model developement of mineral interfaces

Applicant Dr. Peter Thissen
Subject Area Construction Material Sciences, Chemistry, Building Physics
Term from 2014 to 2018
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 264065525
 
Final Report Year 2017

Final Report Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, Modelloberflächen für komplexe Mineral-Grenzflächen auf atomarer Ebene zu erforschen, um einen Beitrag zur Innovation zu leisten. Die Forschung konzentrierte sich auf natürliche Mineral-Grenzflächen wie Wollastonit und synthetische Mineral-Schnittstellen. Die Verwendung von Modelloberflächen war der Schlüssel zur Überbrückung der Lücke zwischen angewandter Technologie und Grundlagenforschung. Modelloberflächen erlauben neue, aussagekräftige, experimentelle und theoretische Methoden, die bislang nur von begrenzten Gebrauch auf komplexen mineralischen Grenzflächen im makroskopischen Maßstab sind. Besonders wichtige Wechselwirkungen auf C-S- und C-S-H-Oberflächen sind die mit Wasser und CO2. Wichtig ist, dass die Hydroxylbildung und die CO2 Adsorption entgegengesetzte Effekte auf die Fähigkeit von organischen Molekülen haben, chemische Bindungen mit der Oxid / Hydroxidoberfläche zu bilden. Der ziemlich komplexe Prozess, der auftritt, wenn Minerale, die C-S- oder C-S-H-Phasen enthalten, mit wässrigen Umgebungen in Berührung kommen, wird als Metal- Proton Exchange-Reaktion (MPER) bezeichnet. Im Falle von C-S und C-S-H führt dieses Verfahren zu einer Auslaugung von Ca aus dem nahen Oberflächenbereich, dem ersten Schritt in der Korrosion von zementgebundenen Materialien. Unter den verschiedenen Korrosionsreaktionen von C-S- und C-S-H-Phasen ist die sogenannte MPER als der wichtigste zu sein. Ein vielversprechender Ansatz zur Überbrückung bestimmter Probleme durch MPER und Karbonisierung ist die Passivierung von C-S-H-Oberflächen. Eine solche Passivierung kann beispielsweise durch die Funktionalisierung von C-S-H-Oberflächen mit wasserabweisenden Filmen von Silanen erreicht werden. Moleküle wie Tetraethoxysilan (TEOS) können unter anderem mit hydratisiertem Zement binden. Die Bildung von Ca- Alkoxiden, die in früheren Studien allgemein vernachlässigt wurde, muss bei der Anwendung von Nanolime (Alkoholdispersionen von Ca(OH)2-Nanopartikeln) für die Erhaltung des kulturellen Erbes berücksichtigt werden. Die sogenannten Nanolimes entstehen als ein wirksames Konservierungsmaterial für die Konsolidierung von Stein, Mörteln und Pflastern, die in alten Mauerwerks- und / oder Wandmalereien vorhanden sind. Schließlich wurde die Gestaltung eines neuen Modellsystems mit hoher Reproduzierbarkeit, hoher Bedeutung und hoher Anwendbarkeit diskutiert. Ultradünne C- S-H- und C-S-Phasen wurden auf Silizium-Wafern entwickelt, die in Zukunft vielfältige Anwendungen in Forschung und Industrie ermöglichen. Perspektive Forschungsfelder wurden dargestellt. C-S-H- und C-S-Phasen auf Silizium-Wafern ermöglichen die Entwicklung mehrerer Anwendungen, basierend auf ihrer einzigartigen Chemie. Diese Substrate könnten vielversprechende Materialien als Sensoren für Phosphate in z.B. Abwässer und für andere Elemente, die entweder benötigt werden, um wiederhergestellt zu werden, oder muss dringend entfernt werden, um ernsthafte gesundheitliche Probleme wie Arsenate zu vermeiden. Auch die Synthese wichtiger Verbindungen wie Calciumphosphate kann erreicht werden, die aufgrund ihrer Bioaktivität für die Medizinindustrie von Bedeutung sind. Die Dotierung von Phosphor in Silicium-Wafern, die diese Substrate verwenden, scheint für die Halbleiter-Manufaktur sehr gut zu sein. Der Austausch von Calcium durch andere Metalle kann auch durchgeführt werden (z. B. Nickel), interessant für die Katalyseforschung. Die erfolgreiche Entwicklung der Applikationen beruht also auf der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Produktion dieser Substrate in der Zukunft.

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