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Wasser energetisiert Mineralien

Wenn Wasser über Glas oder Gestein fliesst, passiert chemisch mehr als bisher angenommen. Ein Team des Mainzer Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und der belgischen Universität Namur hat jetzt mit einem ausgeklügelten spektroskopischen Verfahren herausgefunden, dass sich die elektrische Ladung von mineralischen Oberflächen unter einer Wasserströmung entscheidend verändert, weil sich dabei manche Ionen bevorzugt aus dem Material lösen. Ob und wie stark sich die Oberfläche dabei auf- oder entlädt, hängt davon ab, um welches Mineral es sich handelt und wie sauer oder basisch das strömende Wasser ist. Die Ladungsänderung kann aber so stark sein, dass sie einer Erhöhung der Säurekonzentration um etwa das Hundertfache entspricht. Mit der Änderung der Oberflächenladung verrichtet man unausweichlich elektrische Arbeit und ändert somit die Energie der Oberfläche und ihre Reaktivität. Daher könnte die aktuelle Erkenntnis Konsequenzen für das Verständnis zahlreicher chemischer Prozesse in Natur und in Industrie haben. 

In der Chemie kommt es oft auf die Oberfläche an – zumindest immer dann, wenn es um Reaktionen an festen Materialien geht. Dass sich die Ladung mineralischer Oberflächen in fliessendem Wasser verändert, ist ein bisher unbekannter Faktor, der die Eigenschaften von Oberflächen und somit ihr chemisches Verhalten beeinflusst – und zwar geradezu allgegenwärtig: Wenn Regentropfen eine Fensterscheibe herunter rinnen, wenn Bäche und Flüsse ihr Bett auswaschen, wenn Fels erodiert oder wenn gelöste Reaktionspartner an einem festen Katalysator zusammenkommen.

Noch lässt sich die Bedeutung der neuen Erkenntnisse zwar nicht genau abschätzen. Möglicherweise aber ist sie gewaltig: So besteht der grösste Teil der Landoberfläche aus Mineralien, deren Oberflächen beständig oder zumindest immer wieder von fliessendem Wasser, seien es Flüsse, Bäche oder Niederschläge überspült werden. Da sich die Reaktivität von Mineralien in fliessendem Wasser mit der Ladung ihrer Oberfläche ändert und sie sich zudem – je nach Oberfläche – schneller oder langsamer auflösen, könnten die Befunde des Teams um die Max-Planck-Forscher für die Bodenerosion und die Gesteinsverwitterung relevant sein. Die Verwitterung von Gestein spielt wiederum eine Rolle in der langfristigen Entwicklung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre, weil dabei Kohlendioxid gebunden wird. 

Geordnete Wassermoleküle als Indikatoren für die Oberflächenladung

Möglich wurde die Studie der Mainzer Forscher erst, weil Mischa Bonn und sein Team über ein probates Mittel verfügen, um die Ladung der Oberfläche unter Wasser zu untersuchen: die Summenfrequenz-Spektroskopie. Dabei strahlen die Forscher zwei Laserpulse unterschiedlicher Farbe auf die Grenzfläche zwischen Wasser und Mineral. Die überlagerten Laserstrahlen wechselwirken mit den Wassermolekülen an der Oberfläche besonders stark, wenn sich diese dort akkurat anordnen und nicht so wild durcheinander wirbeln wie im flüssigen Wasser üblich. Genau das ist bei geladenen Oberflächen der Fall. Denn Wassermoleküle besitzen ein negatives und ein positives Ende und richten sich nach dem Prinzip von Anziehung und Abstossung immer an der benachbarten Ladung aus. Treffen die überlagerten Laserpulse an der Oberfläche auf die geordneten Moleküle, erzeugen sie ein charakteristisches Signal. Das ist umso stärker, je mehr Moleküle an der Oberfläche zur Ordnung gerufen werden und mithin, wie stark geladen die Oberfläche ist.

„Unsere Methode gibt dabei auch Aufschluss über die Ordnung, die durch die elektrische Ladung verursacht wird“, sagt Mischa Bonn. „Daher können wir die Ladung direkt ‚vor Ort‘ bestimmen und gut interpretieren, was an der Oberfläche geschieht.“ Genau daran haperte es bei anderen Experimenten, bei denen die Ladung eben nicht direkt an der Mineralienoberfläche gemessen werden kann.

Jetzt aber hat er mit seinem Team die elektrische Spur entdeckt, die fliessendes Wasser fast überall auf der Welt hinterlässt. Und weil sich mit der Oberfläche eines Minerals auch das fliessende Wasser auflädt, handelt es sich bei jedem Fluss offenbar um einen Strom im doppelten Wortsinn.

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