Hoewel atoomkrachtmicroscopie en scanning-elektronenmicroscopie in het verleden informatie hebben opgeleverd over de morfologie van bitumenoppervlakken, het was niet bekend of oppervlakte en chemische samenstelling met elkaar correleren. Echter, de chemische samenstelling van het oppervlak is van bijzonder belang omdat daar oxidatieprocessen plaatsvinden, veroorzaakt door zuurstofhoudende moleculen in de lucht zoals ozon, stikstofoxiden of hydroxylradicalen. Het oxidatieproces versnelt de veroudering van het materiaal:het bitumen wordt poreus en er ontstaat schade.

Materiaalchemici dr. Ayse Koyun en prof. Hinrich Grothe van de TU Wien onderzochten daarom het bitumenoppervlak met verschillende fysisch-chemische analysemethoden en vergeleken de respectievelijke resultaten met elkaar. De onderzoekers publiceerden de gegevens op 29 juni in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Een divers materiaal

Bitumen wordt geproduceerd uit aardolie en wordt voornamelijk gebruikt voor de productie van asfalt. De consistentie hangt grotendeels af van de temperatuur - bij hoge temperaturen is het viskeus en grotere chemische verbindingen zoals alifatica, petroleumharsen en asfaltenen bewegen vrij in de massa. Als het bitumen afkoelt, echter, het materiaal stolt en de afzonderlijke moleculen rangschikken zich in karakteristieke patronen. Uit analyses is al gebleken dat zich aan het oppervlak zogenaamde kern-schildeeltjes vormen. Dit zijn composieten die uit minimaal twee verschillende componenten bestaan.

Aangezien asfalt en bitumen zowel voor wegenbouw als voor waterdichting worden gebruikt, een zo lang mogelijke levensduur van het product is wenselijk. Om de veroudering van het materiaal te vertragen, reacties veroorzaakt door reactieve gassen, licht en warmte moeten tot een minimum worden beperkt. " Zodra we het oxidatiegedrag van bitumen beter begrijpen, kunnen we passende maatregelen zoeken om atmosferische veroudering te voorkomen. Dit kan de levensduur van een bitumenproduct met vele jaren verlengen, besparing van energie en materiële hulpbronnen, " legt Koyun uit. In een studie gepubliceerd in Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, ze heeft al kunnen laten zien hoe de chemische samenstelling van bitumen het verouderingsproces beïnvloedt.

Mix van methoden levert nieuwe informatie op

In nauwe samenwerking met de universiteit van Harvard, Bruker Nano-Surfaces Division en IONTOF GmbH, Ayse Koyun, eerste auteur van de studie, onderzocht het bitumenoppervlak met behulp van drie verschillende methoden:infraroodspectroscopie op nanoschaal op basis van fotothermische uitzetting (AFM-IR), time-of-flight secundaire ionen massaspectrometrie (ToF-SIMS) en fluorescentiemicroscopie. In combinatie, deze methoden bieden waardevolle inzichten in het meerfasige karakter van het bitumenoppervlak. "De resolutie van conventionele meetmethoden die worden gebruikt om de samenstelling van het oppervlak te bestuderen, is te laag voor chemische karakterisering. Individuele domeinen van het oppervlak kunnen op deze manier niet worden bepaald, " legt Koyun uit. "Echter, door verschillende fysisch-chemische methoden te combineren, we slagen erin de structuur tot op tien nanometer in kaart te brengen.' Het resultaat:het oppervlak is heterogeen. De bevindingen van microscopische en spectroscopische methoden correleren en zijn afdoende te interpreteren.

Er wordt een compleet beeld gecreëerd

"Voor een lange tijd, bitumen was als een onopgeloste puzzel voor ons materiaalchemici, " zegt Hinrich Grothe, hoofd van de onderzoeksgroep Fysische Chemie van de Atmosfeer. "We weten veel details, maar tot nu toe was het niet mogelijk om ze samen te voegen tot een compleet beeld. Echter, de combinatie van verschillende fysisch-chemische methoden, zoals we ze hebben toegepast, kon ons eindelijk laten zien hoe de afzonderlijke moleculaire samenstellingen in het bitumen zijn verdeeld." "Hierdoor konden we de puzzel oplossen en onze kennis van bitumen vervolledigen, " voegt Ayse Koyun toe, die twee onderzoeksverblijven aan de Harvard University voltooit als onderdeel van een Marshall Scholarship en met steun van de TU Wien.