Wasserorganisation und Dynamik auf Kaliumfeldspat

Mineralien der Feldspat Gruppe kommen in den meisten magmatischen Gesteinen vor und sind mit über 50 Vol.-% die häufigsten Mineralien in der äußersten Erdschicht. Insofern ist es wenig überraschend, dass Feldspate in vielen geologischen Prozessen eine zentrale Rolle spielen. Beispielsweise ist die Verwitterung von Feldspaten und anderen Silikat-Mineralien ein wichtiger Schritt im sogenannten geologischen Kohlenstoff-Kreislauf, der die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre auf der Zeitskala von zehntausenden bis Millionen Jahren regelt. Darüber hinaus gelangen Feldspate in Form von Mineralstäuben in die Atmosphäre, wo sie die Bildung von Eis in Wolken begünstigen. Entgegen der Alltagserfahrung können saubere Wassertropfen in Wolken bis etwa 40 C flüssig bleiben. Kommen diese unterkühlten Wassertropfen allerdings in Kontakt mit Feldspat-Partikeln, kann die Feldspat- Oberfläche als Eiskeim agieren und das Gefrieren des Wassertropfens auslösen. Da flüssiges Wasser andere chemische und physikalische Eigenschaften hat als Eis, ist dieser Prozess wichtig für die präzise Modellierung von Wolken und damit für unser Verständnis von Wetter und Klima. Trotz intensiver Forschung ist bisher allerdings unklar, warum Feldspat-Partikel effiziente Eiskeime sind. Insbesondere ist unser Bild von den molekularen Strukturen und Prozessen an den Grenzflächen von Feldspat-Mineralien mit Wasser beziehungsweise Eis lückenhaft. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, die Struktur und Dynamik der Wassermoleküle an der Feldspat-Wasser- and Feldspat-Eis-Grenzfläche aufzuklären. Darüber hinaus sind Feldspat-Mineralien in der Atmosphäre typischerweise nicht in Kontakt mit reinem Wasser, sondern mit wässrigen Lösungen. Deshalb wollen wir verstehen, wie sich die Umgebungsbedingungen wie der pH-Wert und die Konzentration von anorganischen Salzen auf die Grenzflächenstruktur auswirken. Dazu wird Tobias Dickbreder an der Universität Wien mittels grenzflächensensitiver Infrarotspektroskopie untersuchen, wie sich die Orientierung und Bindungsverhältnisse der Wassermoleküle an der Feldspat-Wasser-Grenzfläche abhängig von den Umgebungsbedingungen und beim Gefrieren ändern. Die Interpretation der experimentellen Befunde wird in enger Zusammenarbeit mit den Theoretikern Bernhard Reischl (Universität Helsinki), Christoph Dellago (Universität Wien) und Marialore Sulpizi (Ruhr Universität Bochum) erfolgen. Durch die Kombination von Experiment und Theorie wollen wir ein detailliertes molekulares Verständnis der Feldspat-Wasser-Grenzfläche erreichen.