Muitos edifícios históricos foram construídos em arenito, incluindo a Catedral de Santo Estêvão de Viena. O arenito é fácil de trabalhar, mas não suporta intempéries. Consiste em grãos de areia que são relativamente fracamente ligados uns aos outros, e é por isso que partes da pedra se desfazem ao longo dos anos, muitas vezes exigindo uma restauração dispendiosa.
No entanto, é possível aumentar a resistência da pedra tratando-a com nanopartículas especiais de silicato. O método já está sendo usado, mas o que exatamente acontece no processo e quais nanopartículas são mais adequadas para esse fim não estão claros até agora. Uma equipe de pesquisa da TU Wien e da Universidade de Oslo agora conseguiu esclarecer exatamente como esse processo de endurecimento artificial ocorre por meio de experimentos elaborados no síncrotron DESY em Hamburgo e com exames microscópicos em Viena. A equipe também determinou quais nanopartículas são mais adequadas para esse fim. Seu estudo foi publicado em Langmuir .

Uma suspensão aquosa com nanopartículas

"Usamos uma suspensão, um líquido, no qual as nanopartículas inicialmente flutuam livremente", diz o professor Markus Valtiner, do Instituto de Física Aplicada da TU Wien. "Quando essa suspensão entra na rocha, a parte aquosa evapora, as nanopartículas formam pontes estáveis ​​entre os grãos de areia e dão estabilidade adicional à rocha."

Esse método já é usado na tecnologia de restauração, mas até agora não se sabia exatamente quais processos físicos ocorrem. Quando a água evapora, ocorre um tipo muito especial de cristalização:Normalmente, um cristal é um arranjo regular de átomos individuais. No entanto, não apenas átomos, mas também nanopartículas inteiras podem se organizar em uma estrutura regular - isso é então chamado de "cristal coloidal".

As nanopartículas de silicato se juntam para formar esses cristais coloidais quando secam na rocha e, assim, criam novas conexões entre os grãos de areia individuais. Isso aumenta a resistência do arenito.

Medições no centro de pesquisa de grande escala DESY e em Viena

Para observar esse processo de cristalização em detalhes, a equipe de pesquisa da TU Wien usou as instalações do síncrotron DESY em Hamburgo. Raios-X extremamente fortes podem ser gerados lá, que podem ser usados ​​para analisar a cristalização durante o processo de secagem.

"Isso foi muito importante para entender exatamente do que depende a força dos vínculos que se formam", diz Joanna Dziadkowiec (Universidade de Oslo e TU Wien), primeira autora da publicação na qual os resultados da pesquisa foram agora apresentados. "Usamos nanopartículas de diferentes tamanhos e concentrações e estudamos o processo de cristalização com análises de raios-X." Foi demonstrado que o tamanho das partículas é decisivo para o aumento da resistência ideal.

Para isso, a TU Vienna também mediu a força adesiva criada pelos cristais coloidais. Para isso, foi utilizado um microscópio de interferência especial, perfeitamente adequado para medir forças minúsculas entre duas superfícies.

Pequenas partículas, mais força

"Conseguimos mostrar:quanto menores as nanopartículas, mais elas podem fortalecer a coesão entre os grãos de areia", diz Joanna Dziadkowiec. "Se você usar partículas menores, mais locais de ligação são criados no cristal coloidal entre dois grãos de areia e, com o número de partículas envolvidas, a força com que eles mantêm os grãos de areia juntos também aumenta."

Quantas partículas estão presentes na emulsão também é importante. "Dependendo da concentração de partículas, o processo de cristalização ocorre de forma ligeiramente diferente, e isso influencia em como os cristais coloidais se formam em detalhes", diz Markus Valtiner. As novas descobertas agora serão usadas para tornar o trabalho de restauração mais durável e mais direcionado. + Explorar mais

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