Nanodeeltjes kunnen historische gebouwen van poreus gesteente redden

Veel historische gebouwen zijn opgetrokken uit zandsteen, waaronder de Stephansdom in Wenen. Zandsteen is gemakkelijk te bewerken, maar is niet bestand tegen weersinvloeden. Het bestaat uit zandkorrels die relatief zwak aan elkaar zijn gehecht, waardoor delen van de steen in de loop der jaren afbrokkelen en vaak kostbare restauratie vereisen.

Het is echter mogelijk om de weerstand van de steen te verhogen door deze te behandelen met speciale silicaat nanodeeltjes. De methode wordt al gebruikt, maar wat er precies gebeurt in het proces en welke nanodeeltjes daarvoor het meest geschikt zijn, was tot nu toe onduidelijk. Een onderzoeksteam van de TU Wien en de Universiteit van Oslo heeft nu door uitgebreide experimenten in de DESY-synchrotron in Hamburg en met microscopische onderzoeken in Wenen duidelijk kunnen maken hoe dit kunstmatige uithardingsproces precies verloopt. Het team heeft ook bepaald welke nanodeeltjes hiervoor het meest geschikt zijn. Hun studie werd gepubliceerd in Langmuir.

Een waterige suspensie met nanodeeltjes

“We gebruiken een suspensie, een vloeistof, waarin de nanodeeltjes aanvankelijk vrij rondzweven”, zegt prof. Markus Valtiner van het Instituut voor Technische Natuurkunde van de TU Wien. “Wanneer deze suspensie in het gesteente terechtkomt, verdampt het waterige deel, vormen de nanodeeltjes stabiele bruggen tussen de zandkorrels en geven het gesteente extra stabiliteit.”

Deze methode wordt al gebruikt in de restauratietechnologie, maar tot nu toe was niet precies bekend welke fysieke processen plaatsvinden. Wanneer het water verdampt, treedt er een heel speciaal soort kristallisatie op: normaal gesproken is een kristal een regelmatige opstelling van individuele atomen. Niet alleen atomen, maar ook hele nanodeeltjes kunnen zichzelf rangschikken in een regelmatige structuur – dit wordt dan een ‘colloïdaal kristal’ genoemd.

De silicaat-nanodeeltjes komen samen om dergelijke colloïdale kristallen te vormen wanneer ze in het gesteente drogen en creëren zo samen nieuwe verbindingen tussen de afzonderlijke zandkorrels. Dit verhoogt de sterkte van de zandsteen.

Metingen bij de grootschalige onderzoeksfaciliteit DESY en in Wenen

Om dit kristallisatieproces in detail te observeren, gebruikte het onderzoeksteam van de TU Wien de DESY-synchrotronfaciliteit in Hamburg. Daar kunnen extreem sterke röntgenstralen worden gegenereerd, waarmee de kristallisatie tijdens het droogproces kan worden geanalyseerd.

“Dit was heel belangrijk om precies te begrijpen waar de sterkte van de bindingen die zich vormen van afhangt”, zegt Joanna Dziadkowiec (Universiteit van Oslo en TU Wien), de eerste auteur van de publicatie waarin de onderzoeksresultaten nu worden gepresenteerd. “We gebruikten nanodeeltjes van verschillende groottes en concentraties en bestudeerden het kristallisatieproces met röntgenanalyses.” Het bleek dat de grootte van de deeltjes bepalend is voor een optimale sterkteverhoging.

Daartoe heeft de TU Wenen ook de houdkracht van de colloïdale kristallen gemeten. Hiervoor werd een speciale interferentiemicroscoop gebruikt, die perfect geschikt is voor het meten van kleine krachten tussen twee oppervlakken.

Kleine deeltjes, meer kracht

“We konden laten zien: hoe kleiner de nanodeeltjes, hoe meer ze de samenhang tussen de zandkorrels kunnen versterken”, zegt Joanna Dziadkowiec. “Als je kleinere deeltjes gebruikt, ontstaan ​​er meer bindingsplaatsen in het colloïdale kristal tussen twee zandkorrels, en met het aantal betrokken deeltjes neemt dus ook de kracht toe waarmee ze de zandkorrels bij elkaar houden.”

Hoeveel deeltjes er in de emulsie aanwezig zijn, is ook belangrijk. “Afhankelijk van de deeltjesconcentratie verloopt het kristallisatieproces iets anders en dit heeft invloed op hoe de colloïdale kristallen tot in detail worden gevormd”, zegt Markus Valtiner. De nieuwe bevindingen zullen nu worden gebruikt om restauratiewerkzaamheden duurzamer en gerichter te maken.