Hydratationsstruktur auf eisnukleierende Mineraloberflächen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Angelika Kühnle
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528534797

Heterogene Eisnukleation ist allgegenwärtig in der Natur und entscheidend für viele Prozesse wie zum Beispiel die Wolkenbildung und die Entstehung von Niederschlägen. Obwohl eiskeimbildende Partikel seit Jahrzehnten untersucht werden, ist erstaunlicherweise weiterhin unklar, welche Eigenschaften für eine gute Eiskeimbildung verantwortlich sind. In diesem Projekt sollen zwei wichtige Vertreter von eiskeimbildenden Mineralien studiert werden. Wir werden sowohl Feldspate mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (Orthoklas, Mikroklin und andere) als auch die thermodynamisch stabile Modifikation von Silberiodid (Jodargyrit) untersuchen. Das Ziel dieses Projektes ist es, die atomare Struktur der Mineraloberfläche sowie die Hydratationsstruktur an der Grenzfläche mit dem Rasterkraftmikroskop abzubilden. Die gute Eiskeimbildung von Kaliumfeldspaten wurde durch die geringe Gitterfehlanpassung der (100) Fläche zu Eis erklärt. Die (100) Fläche besitzt jedoch eine höhere Oberflächenenergie als die (001) und die (010) Spaltflächen. Daher ist die (100) Fläche vermutlich nur an Defekten und Rissen im Kristall vorhanden. Im Projekt möchten wir die Hydratationsstruktur an diesen drei Oberflächen abbilden und untersuchen, ob signifikante Unterschiede in der Wasserstruktur gefunden werden können, die einen Hinweis auf die gute Eiskeimbildung geben können. Darüber hinaus wollen wir untersuchen, welchen Einfluss die chemische Zusammensetzung des Kristalls auf die Hydratationsstruktur hat. In Bezug auf Silberiodid ist die erste Frage, die geklärt werden muss, wie die polare (0001) Oberfläche stabilisiert wird. Bisher arbeiten alle theoretischen Modelle mit einer volumenterminierten Oberfläche, die jedoch aufgrund der Oberflächenladungen so nicht existieren kann. Experimente, die die atomare Struktur der Oberfläche zeigen, gibt es bisher noch nicht. Interessanterweise sagen die Rechnungen Unterschiede in der Eiskeimbildung der silber- und der iodterminierten Oberfläche voraus. Daher möchten wir diese beiden Oberflächen atomar abbilden und untersuchen, ob wir Hinweise für den Stabilisationsmechanismus finden können. Auch hier kann die Kenntnis der Hydratationsstruktur helfen, den Unterschied in der Eiskeimbildung der beiden Terminierungen aufzuklären. Zusammenfassend wollen wir die Mineral-Wasser Grenzfläche auf molekularer Skala im Realraum abbilden. Die Kenntnis der atomaren Struktur der Oberfläche und der Hydratation an der Grenzfläche ist eine Grundvoraussetzung für das Verständnis der Mechanismen der heterogenen Eiskeimbildung durch mineralische Partikel.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen