Adsorption, Diffusion und Strukturbildung von Wasser auf Calcit: Fundamentale Prozesse während der Benetzung einer omnipräsenten Mineraloberfläche

• Antragstellerin: Professorin Dr. Angelika Kühnle
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394742005

Wasser ist allgegenwärtig, auf nahezu allen Oberflächen des täglichen Gebrauchs befindet sich ein Feuchtigkeitsfilm. Die Wechselwirkung dieses am häufigsten vorkommenden Moleküls unseres Planeten mit Grenzflächen spielt daher eine entscheidende Rolle in sehr vielen Bereichen, z.B. in der Geo- und Umweltchemie, aber auch in der Katalyse. Ein besonders interessantes Beispiel stellt die Nukleation von Eis auf Oberflächen dar, ein Phänomen, das bereits seit Jahrhunderten Gegenstand der Forschung ist. Nichtsdestoweniger sind viele fundamentale Aspekte der Adsorption, Diffusion und Strukturbildung von Wasser auf Oberflächen noch nicht ausreichend verstanden.Calcit ist ein vor dem Hintergrund dieser Frage besonders interessantes Substrat, da es sich hierbei um das häufigste Carbonat der Erde handelt. Aus dem Alltag ist Calcit vor allem als Verkalkung bekannt, zu deren Vermeidung häufig Inhibitoren eingesetzt werden. Aber auch für die Erdölförderung und nicht zuletzt in der Bauindustrie ist die Wechselwirkung von Wasser mit Calcit von zentraler Bedeutung. Trotz dieser Wichtigkeit ist über diese Wechselwirkung auf molekularem Niveau nur sehr wenig bekannt. Das liegt unter anderem daran, dass Calcit als elektrischer Isolator nur schwer mit klassischen Methoden der Oberflächenanalytik untersucht werden kann. In dieser Hinsicht nimmt die dynamische Rasterkraftmikroskopie eine besondere Stellung ein, da diese Technik es ermöglich, auch nichtleitende Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden.In diesem Projekt sollen fundamentale Aspekte der Adsorption, Diffusion und Strukturbildung von Wasser auf der thermodynamisch stabilen Calcitspaltfläche, Calcit (10.4) im Ultrahochvakuum untersucht werden. Hierzu werden wir zunächst zentrale Parameter der Adsorption und Diffusion von Wassermonomeren bei tiefen Temperaturen bestimmen. Hierbei kann der Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen besonders gut durch einen Vergleich der Daten für leichtes (H2O) und schweres (D2O) Wasser bestimmt werden. Ausgehend davon werden wir die Bildung von Clustern verfolgen und auch hier relevante Fragen wie die der Balance zwischen intermolekularen und Molekül-Substrat-Wechselwirkungen nachgehen. Ein wesentlicher Aspekt wird die Aufklärung der Struktur einer Wassermonolage sein, zu der es eine Reihe an fundamentalen, bisher ungeklärten Fragen gibt. Schließlich widmen wir uns zentralen Aspekten der Eisbildung auf Calcit.Die Ergebnisse dieses Projekts werden die Grundlage für ein umfassendes Verständnis der Struktur und Reaktivität von Wasser auf dieser wichtigen Oberfläche bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland
• Kooperationspartner: Professor Dr. Adam Stuart Foster