Wie sich Kristalle auflösen

  • 22. January 2018

Material löst sich nicht kontinuierlich, sondern in Pulsen.

Würfel­zucker löst sich in Tee oder Kaffee, Karbonat in Meeren und Ozeanen. Bislang haben Forscher vermutet, dass sich solche Kristalle konti­nuierlich in Flüssig­keit auflösen. Cornelius Fischer und Andreas Lüttge vom MARUM – Zentrum für Marine Umwelt­wissenschaften der Univer­sität Bremen – haben nun aber einen besonderen Prozess der Material­auflösung entdeckt, der sich auch auf die quanti­tative Vorhersag­barkeit natürlicher und tech­nischer Prozesse auswirken wird. Statt in einem konti­nuierlichen Prozess lösen sich Kristalle in Pulsen.

Abb.: Kristalle lösen sich nicht kontinuierlich, sondern in Pulsen, die hier Kraterwellen ähneln, auf. (Bild: Marum, U. Bremen)

Abb.: Kristalle lösen sich nicht kontinuierlich, sondern in Pulsen, die hier Kraterwellen ähneln, auf. (Bild: Marum, U. Bremen)

Wie kristallines Material mit Flüssig­keiten reagiert, ist bestimmend für ganz all­tägliche Prozesse in der Natur und in tech­nischen Anwen­dungen – wie Metalle korro­dieren oder Karbonat­gestein zersetzt wird sind Beispiele, ebenso auch die Aufnahme von Arzneimittel­wirkstoffen im Körper. Wie lange dauert es zum Beispiel, bis ein Medikament aufge­nommen wird und sich der Wirkstoff frei­setzt? Bislang sei man davon ausge­gangen, dass die Reaktions­produkte beständig von der Kristall­oberfläche frei­gesetzt werden, das entspricht einer konti­nuierlichen Auf­lösung.

„Neue experi­mentelle und analy­tische Ergeb­nisse zeigen aber etwas grund­legend Anderes: Material wird in einer Folge von Reaktions­pulsen frei­gesetzt“, erklärt Cornelius Fischer. Das bedeutet, dass die zeitliche und räum­liche Ver­teilung der Material­freisetzung grund­sätzlich anders funk­tioniert als bisher angenommen. Interes­sant wird es, wenn sich solche Pulse der Material­freisetzung über­lagern, denn so könnten völlig neue Poren­muster von Fest­körpern entstehen. Ein Beispiel für eine klas­sische Anwendung, sagt Fischer, sei die Durch­lässigkeit sonst dichter Festkörper, etwa wie Wasser durch Gestein sickert und so neue Wege für die Flüssig­keit schafft und das Gestein insgesamt poröser wird. Das Poren­muster zeigt dann, wie durch­lässig das Gestein ist.

Die Forschung der Minera­logen ist zum Beispiel relevant für Risiko- und Sicherheitsabschätzungen, etwa wenn es um die Einlagerung von Gasen oder das Entsorgen von nuklearem Material geht. „Immer dann“, verdeut­licht Fischer, „wenn Prognosen für Anwen­dungen und Prozesse der Flüssig­keit-Festkörper-Reaktionen verbes­sert werden sollen“. Ihre neuen Ergeb­nisse stellen die vorherr­schende konzep­tionelle Ansicht in Frage, dass die Kristall­auflösung einfach der umge­kehrte Prozess des konti­nuierlichen Kristall­wachstums ist. „Solche Pulse wurden für Kristall­wachstums­prozesse bislang nicht beobachtet“, sagt Fischer. Für ihre Studie haben die Forscher die Auflösung von Kalzit und Zinkoxid unter­sucht. Schnell rea­gierende Kalzitober­flächen bieten oft ein sehr hete­rogenes Bild.

„Zinkoxid zum Beispiel eignet sich jedoch gut für eine Beo­bachtung der Ober­flächenver­änderungen quasi in Zeitlupe“, erklärt Andreas Lüttge. „Als wir zum ersten Mal solche Pulse mit Zinkoxid-Ober­flächen entdeckten, war es schwer zu glauben, dass dieses Ergebnis verall­gemeinerungs­fähig ist. Zu sehr bestimmen die komplexen Reaktions­muster wie auf Kalzitober­flächen unsere Inter­pretation. Jetzt sind wir jedoch mit den neuen Ergeb­nissen in der Lage, solche Muster der Material­freisetzung besser zu verstehen.“

Ziel der Unter­suchungen von Fischer und Lüttge sind Modelle der quanti­tativen Prognose. Wie schnell und mit welchen räum­lichen Mustern ändern sich Festkörper­oberflächen und setzen Material frei? Wie entwickelt sich die Durch­lässigkeit von festem Material? Fischer: „In Zukunft werden wir unsere neuen Erkennt­nisse in reaktiven Transport­modellen anwenden, um für grund­sätzliche und ange­wandte Frage­stellungen eine bessere Vorhersag­barkeit der Material­freisetzung zu ermög­lichen.“

Marum / JOL

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