Redoxprozesse und Leitfähigkeitsphänomene in Eisen- und Hydroxyl-haltigen Silikaten auf atomarer Skala

• Antragstellerin: Professorin Dr. Boriana Mihailova
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553088160

Um relevante Phänomene nahe der Subduktionszonen, darunter Wasserkreisläufe und Redoxprozesse, zu verstehen, müssen wir die Eigenschaften der Gesteine und damit auch die Eigenschaften der enthaltenen Minerale unter nicht-ambienten Bedingungen verstehen. Die Redoxprozesse bestehen aus Elektronenkreisläufen und können daher maßgeblich zur bekannten, aber dennoch kaum verstandenen Leitfähigkeit der Lithosphäre beitragen. Unter den verschiedenen gesteinsbildenden Mineralen sind Eisen- und Hydroxylhaltige Silikate von besonderer Bedeutung, da sie ohne strukturellen Kollaps oxidieren und dehydrieren können, das heißt, sie können sowohl zum Wasser-, als auch zum Elektronenkreislauf beitragen und sowohl H+ als auch e- in den Lithosphärengesteinen erzeugen. Unter den komplexen wasserhaltigen Silikaten verdienen Amphibole, Biotite und Chlorite besondere Aufmerksamkeit, da sie Hauptbestandteile der kontinentalen Kruste in den Subduktionszonen und wichtige Wasserquellen in metamorphen Prozessen sind. Die Forschung konzentriert sich üblicherweise auf den endgültigen Oxidations- und/oder Dehydxylierungszustand, bei dem Elektronen und Wasserstoff aus dem Mineral freigesetzt werden, und ignoriert die vorausgehenden Prozesse der Delokalisierung und Mobilisierung von e- und H+ innerhalb des Minerals. Die Rolle der Gitterdynamik bei der Auslösung der Delokalisierung und anschließenden Freisetzung von e- und H+ wird ebenfalls vernachlässigt. Darüber hinaus wurde das Auftreten von Polaronenleitfähigkeit in Amphibolen und Phyllosilikaten vermutet, bisher jedoch nicht direkt nachgewiesen. Erst kürzlich konnten wir mithilfe der polarisierten Ramanspektroskopie, die sowohl auf Elektronen- als auch auf Phononenanregungen reagiert, einen direkten Nachweis für die Bildung thermisch aktivierter kleiner Polaronen in Al-freien Amphibolen erbringen, die aus der Kopplung von polaren optischen Phononen und Elektronenübergängen innerhalb von Fe2+O6-Oktaedern entstehen, sowie für die Bildung von mobilem, delokalisiertem H+ innerhalb des Kristallvolumens verursachen. Ziel dieses Projekts ist es, die Redox- und Transportprozesse in wasserführenden Silikaten im Detail aufzukl‘ren. Dazu werden (i) der atomistische Mechanismus der Bildung thermisch aktivierter Polaronen und mobiler H+-Kationen in Anwesenheit und Abwesenheit von externem O2 für Fe2+-haltige Hornblende, Biotit und Chlorit sowie die atomare Dynamik untersucht, die die thermische Zersetzung dieser Mineralien auslöst, und (ii) der Beitrag verschiedener Arten von Ladungsträgern zur anisotropen Leitfähigkeit repräsentativer Fe2+-haltiger Amphibol-, Biotit- und Chlorit-Mineralarten analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen