Mentre la microscopia a forza atomica e la microscopia elettronica a scansione hanno fornito informazioni sulla morfologia delle superfici bituminose in passato, non era noto se la superficie e la composizione chimica fossero correlate tra loro. Però, la composizione chimica della superficie è di particolare interesse perché lì avvengono processi di ossidazione, innescato da molecole contenenti ossigeno nell'aria come l'ozono, ossidi di azoto o radicali ossidrili. Il processo di ossidazione accelera l'invecchiamento del materiale:il bitume diventa poroso e si sviluppano danni.

I chimici dei materiali Dr. Ayse Koyun e il Prof. Hinrich Grothe della TU Wien hanno quindi esaminato la superficie del bitume utilizzando vari metodi di analisi fisico-chimica e confrontato tra loro i rispettivi risultati. I ricercatori hanno pubblicato i dati il ​​29 giugno sulla rivista Rapporti scientifici .

Un materiale vario

Il bitume è prodotto dal petrolio e utilizzato principalmente per la produzione di asfalto. La sua consistenza dipende in gran parte dalla temperatura:a temperature calde è viscoso e composti chimici più grandi come gli alifatici, resine petrolifere e asfalteni si muovono liberamente nella massa. Quando il bitume si raffredda, però, il materiale si solidifica e le singole molecole si dispongono secondo schemi caratteristici. Le analisi hanno già dimostrato che sulla superficie si formano le cosiddette particelle core-shell. Si tratta di compositi costituiti da almeno due diversi componenti.

Poiché l'asfalto e il bitume vengono utilizzati per la costruzione di strade e per lavori di impermeabilizzazione, è auspicabile la massima durata possibile del prodotto. Per rallentare l'invecchiamento del materiale, reazioni innescate da gas reattivi, luce e calore devono essere ridotti al minimo. " Una volta compreso meglio il comportamento di ossidazione del bitume, possiamo cercare misure appropriate per prevenire l'invecchiamento atmosferico. Questo può prolungare la durata di un prodotto bituminoso di molti anni, risparmio di risorse energetiche e materiali, " spiega Koyun. In uno studio pubblicato su Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, ha già potuto mostrare come la composizione chimica del bitume influenzi il suo processo di invecchiamento.

Il mix di metodi fornisce nuove informazioni

In stretta collaborazione con l'Università di Harvard, Bruker Nano-Surfaces Division e IONTOF GmbH, Ayse Koyun, primo autore dello studio, ha studiato la superficie del bitume utilizzando tre diversi metodi:spettroscopia infrarossa su nanoscala basata sull'espansione fototermica (AFM-IR), spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo (ToF-SIMS) e microscopia a fluorescenza. In combinazione, questi metodi forniscono preziose informazioni sulla natura multifase della superficie del bitume. "La risoluzione dei metodi di misurazione convenzionali utilizzati per studiare la composizione della superficie è troppo bassa per la caratterizzazione chimica. I singoli domini della superficie non possono essere determinati in questo modo, "Spiega Koyun. "Tuttavia, combinando diversi metodi fisico-chimici, riusciamo a mappare la struttura fino a dieci nanometri." Il risultato:la superficie è eterogenea. I risultati dei metodi microscopici e spettroscopici sono correlati e possono essere interpretati in modo conclusivo.

Viene creato un quadro completo

"Per molto tempo, il bitume era come un puzzle irrisolto per noi chimici dei materiali, "dice Hinrich Grothe, capo del gruppo di ricerca di Chimica Fisica dell'Atmosfera. "Conosciamo molti dettagli, ma fino ad ora non è stato possibile metterli insieme in un quadro completo. Però, la combinazione di diversi metodi fisico-chimici, come li abbiamo applicati, è stato finalmente in grado di mostrarci come sono distribuiti i singoli assemblaggi molecolari nel bitume." "Questo ci ha permesso di risolvere il puzzle e completare la nostra conoscenza del bitume, "aggiunge Ayse Koyun, che sta completando due soggiorni di ricerca presso la Harvard University nell'ambito di una borsa di studio Marshall e con il supporto della TU Wien.