Impact of dissolved ions on hydration layers at the solid-liquid interface of carbonates

• Applicant: Professorin Dr. Angelika Kühnle
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 312143056

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde die Solvatationsstruktur an Fest-Flüssig-Grenzflächen mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Im Rahmen des Projekts wurde ein Rasterkraftmikroskop modifiziert und erweitert, um Aufnahmen von dreidimensionalen Datensätzen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche im frequenzmodulierten Modus und mit photothermischer Anregung aufnehmen zu können. Mit diesem Gerät wurde es möglich, die Hydratationsstruktur über mineralischen Oberflächen mit hohem Signalzu-Rauschen Verhältnis abzubilden. Die hohe Auflösung des Gerätes erlaubte es, die auf der Oberfläche von Dolomit vorhandenen Kationen Calcium und Magnesium anhand der unterschiedlichen Hydratationsstruktur voneinander zu unterscheiden. Hiermit konnte gezeigt werden, dass das Rasterkraftmikroskop in diesem Fall sogar eine chemische Sensitivität zur Unterscheidung von zwei divalenten Kationen bietet. Um die Mechanismen der Strukturbildung zu beleuchten, wurde neben den Grenzflächen von Calcit, Dolomit und Magnesit mit Wasser auch die Grenzfläche von Graphit zu Wasser und die Grenzfläche von Calcit und Magnesit zu Ethanol untersucht. Bei den Untersuchungen der Graphit-Wasser-Grenzfläche zeigte sich, dass die Anwesenheit einer harten Wand nicht ausreicht, um die Schichtstruktur von Wasser über Graphit zu erklären. Molekulardynamische Simulationen legen nahe, dass die Attraktivität der Graphitoberfläche zu Wasser für die Ausbildung der Schichten verantwortlich ist. Der Einfluss von Ionen auf die Hydratationsstruktur bleibt weiterhin ein spannendes Thema, zu dem viele Fragen offenbleiben. Im Rahmen des Projekts konnte aber gezeigt werden, dass Defekte im Substrat anhand der Veränderungen in der Hydratationsstruktur nachgewiesen werden können. Die Erfolge im Projekt basieren auf einer langjährigen und sehr guten Zusammenarbeit mit unseren Theoriepartnern Adam Foster und Julian Gale.

Publications

• Molecular Self-Assembly Versus Surface Restructuring During Calcite Dissolution, Langmuir 32 (2016) 9975
  M. Nalbach, S. Klassen, R. Bechstein, and A. Kühnle
  
• Three-dimensional atomic force microscopy mapping at the solid-liquid interface with fast and flexible data acquisition, Rev. Sci. Instrum. 87 (2016) 063704
  Hagen Söngen, Martin Nalbach, Holger Adam, and Angelika Kühnle
  
• Chemical Identification at the Solid-Liquid Interface, Langmuir 33 (2017) 125
  Hagen Söngen, Christoph Marutschke, Peter Spijker, Eric Holmgren, Ilka Hermes, Ralf Bechstein, Stefanie Klassen, John Tracey, Adam S. Foster, and Angelika Kühnle
  
• Quantitative Atomic Force Microscopy, J. Phys.: Condens. Matter 29 (2017) 274001
  H. Söngen, R. Bechstein, A. Kühnle
  
• Structure-Dependent Dissolution and Restructuring of Calcite Surfaces by Organophosphonates, Cryst. Growth & Design 17 (2017) 5867
  M. Nalbach, A. Moschona, K. D. Demadis, S. Klassen, R. Bechstein, A. Kühnle
  
• Where is the Most Hydrophobic Region? Benzopurpurine Self-Assembly at the Calcite-Water Interface, J. Phys. Chem. C 121 (2017) 24144
  Martin Nalbach, Paolo Raiteri, Stefanie Klassen, Sven Schäfer, Julian D. Gale, Ralf Bechstein, Angelika Kühnle
  
• Resolving point defects in the hydration structure of calcite (10.4) with threedimensional atomic force microscopy, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 116101
  Hagen Söngen, Bernhard Reischl, Kazuki Miyata, Ralf Bechstein, Paolo Raiteri, Andrew L. Rohl, Julian D. Gale, Takeshi Fukuma and Angelika Kühnle
  
• Hydration layers at the graphite-water interface: Attraction or confinement, Phys. Rev. B 100 (2019) 205410
  Hagen Söngen, Ygor Morais Jaques, Lidija Zivanovic, Sebastian Seibert, Ralf Bechstein, Peter Spijker, Hiroshi Onishi, Adam S. Foster and Angelika Kühnle
  
• Origin of Ubiquitous Stripes at the Graphite–Water Interface, Langmuir 36 (2020) 7789
  Sebastian Seibert, Stefanie Klassen, Annamaria Latus, Ralf Bechstein, and Angelika Kühnle
  
• Three-dimensional solvation structure of ethanol on carbonate minerals, Beilstein J. Nanotechnol. 11 (2020) 891
  Hagen Söngen, Ygor Morais Jaques, Peter Spijker, Christoph Marutschke, Stefanie Klassen, Ilka Hermes, Ralf Bechstein, Lidija Zivanovic, John Tracey, Adam S. Foster and Angelika Kühnle