Molti edifici storici sono stati costruiti in arenaria, inclusa la Cattedrale di Santo Stefano a Vienna. L'arenaria è facile da lavorare, ma non resiste agli agenti atmosferici. È costituito da granelli di sabbia relativamente debolmente legati tra loro, motivo per cui parti della pietra si sgretolano nel corso degli anni, richiedendo spesso costosi restauri.

Tuttavia è possibile aumentare la resistenza della pietra trattandola con speciali nanoparticelle di silicato. Il metodo è già in uso, ma fino ad ora non è chiaro cosa accade esattamente nel processo e quali nanoparticelle siano più adatte a questo scopo. Un gruppo di ricerca della TU Wien e dell'Università di Oslo è stato ora in grado di chiarire esattamente come avviene questo processo di indurimento artificiale attraverso elaborati esperimenti al sincrotrone DESY di Amburgo e con esami microscopici a Vienna. Il team ha anche determinato quali nanoparticelle sono più adatte a questo scopo. Il loro studio è stato pubblicato su Langmuir .

Una sospensione acquosa con nanoparticelle

"Utilizziamo una sospensione, un liquido, in cui le nanoparticelle inizialmente fluttuano liberamente", afferma il Prof. Markus Valtiner dell'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien. "Quando questa sospensione entra nella roccia, la parte acquosa evapora, le nanoparticelle formano ponti stabili tra i granelli di sabbia e conferiscono alla roccia ulteriore stabilità."

Questo metodo è già utilizzato nella tecnologia di restauro, ma fino ad ora non si sapeva esattamente quali processi fisici avvengano. Quando l'acqua evapora, si verifica un tipo molto speciale di cristallizzazione:normalmente, un cristallo è una disposizione regolare di singoli atomi. Tuttavia, non solo gli atomi, ma anche intere nanoparticelle possono organizzarsi in una struttura regolare, che viene quindi definita "cristallo colloidale".

Le nanoparticelle di silicato si uniscono per formare tali cristalli colloidali quando si asciugano nella roccia e creano così insieme nuove connessioni tra i singoli granelli di sabbia. Ciò aumenta la resistenza dell'arenaria.

Misurazioni presso il grande centro di ricerca DESY ea Vienna

Per osservare in dettaglio questo processo di cristallizzazione, il team di ricerca TU Wien ha utilizzato l'impianto di sincrotrone DESY ad Amburgo. Lì possono essere generati raggi X estremamente forti, che possono essere utilizzati per analizzare la cristallizzazione durante il processo di essiccazione.

"Questo è stato molto importante per capire esattamente da cosa dipende la forza dei legami che si formano", afferma Joanna Dziadkowiec (Università di Oslo e TU Wien), la prima autrice della pubblicazione in cui sono stati ora presentati i risultati della ricerca. "Abbiamo utilizzato nanoparticelle di diverse dimensioni e concentrazioni e studiato il processo di cristallizzazione con analisi a raggi X". È stato dimostrato che la dimensione delle particelle è decisiva per una maggiore resistenza ottimale.

A tal fine, la TU Vienna ha anche misurato la forza adesiva creata dai cristalli colloidali. A tale scopo è stato utilizzato uno speciale microscopio a interferenza, perfettamente adatto per misurare minuscole forze tra due superfici.

Piccole particelle, più forza

"Siamo stati in grado di dimostrare:più piccole sono le nanoparticelle, più possono rafforzare la coesione tra i granelli di sabbia", afferma Joanna Dziadkowiec. "Se si utilizzano particelle più piccole, si creano più siti di legame nel cristallo colloidale tra due granelli di sabbia e, con il numero di particelle coinvolte, aumenta anche la forza con cui tengono insieme i granelli di sabbia".

Anche quante particelle sono presenti nell'emulsione è importante. "A seconda della concentrazione delle particelle, il processo di cristallizzazione procede in modo leggermente diverso e questo ha un'influenza sulla modalità di formazione dei cristalli colloidali in dettaglio", afferma Markus Valtiner. Le nuove scoperte verranno ora utilizzate per rendere i lavori di restauro più duraturi e più mirati. + Esplora ulteriormente

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