Veldspaat is een alomtegenwoordig mineraal en vormt ongeveer de helft van de aardkorst. In de atmosfeer van de aarde spelen veldspaat een verrassend belangrijke rol. Fijn poeder dat door de lucht wordt meegevoerd, beïnvloedt de vorming van wolken. Watermoleculen hechten beter aan veldspaatstof dan aan andere deeltjes. Kleine veldspaatkorrels, die in de atmosfeer zweven, worden zo uitstekende kiemzaadjes, waar watermoleculen blijven plakken en bevriezen, en uiteindelijk een wolk vormen.

Het is onduidelijk waarom veldspaat dit opmerkelijke vermogen heeft om water efficiënt te binden en wolkenvorming mogelijk te maken. Met behulp van een zeer gevoelige atoomkrachtmicroscoop hebben onderzoekers van de TU Wien aangetoond dat de unieke geometrie van het veldspaatoppervlak het perfecte ankerpunt biedt voor OH-groepen van waterstof en zuurstof – en vervolgens voor water.

Het onderzoek is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters .

Afbeeldingen met atomaire resolutie

"Onderzoekers overwogen verschillende ideeën waarom veldspaat zo'n effectief kiemzaad is", zegt prof. Ulrike Diebold van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien, die het project leidde. "Het kan te wijten zijn aan kaliumatomen in veldspaat, of misschien aan bepaalde defecten in de kristalstructuur."

Om daar achter te komen gebruikten TU-onderzoekers een gevoelige atoomkrachtmicroscoop. In deze microscoop wordt het oppervlak van het kristal punt voor punt met een fijne punt gescand. De kracht tussen de punt en het oppervlak levert een beeld op met hoge resolutie, waarbij de positie van elk atoom nauwkeurig kan worden bepaald.

"We plaatsten een stukje veldspaat in de vacuümkamer van de microscoop en splitsten het in tweeën om een ​​ongerept en schoon oppervlak te verkrijgen", zegt Giada Franceschi, de eerste auteur van het onderzoek. "We waren verbaasd over de resultaten:de beelden van het oppervlak zagen er anders uit dan wat algemene theorieën hadden voorspeld."

Een optimale verbinding:de hydroxyllaag

De oorzaak werd snel gevonden:kleine waterinsluitingen in het gesteente waren de boosdoeners. Wanneer de steen uit elkaar wordt gehaald, komt er een beetje waterdamp vrij. Deze damp hecht zich aan het vers gespleten oppervlak en de watermoleculen vallen uiteen en vormen hydroxylgroepen (OH). “Onder de microscoop zie je niet het veldspaatoppervlak zelf, maar een oppervlak bedekt met hydroxylgroepen”, legt Giada Franceschi uit. "In de natuur is het veldspaatoppervlak ook bedekt met zo'n hydroxyllaag."

Door de geometrie van het veldspaatkristal zijn deze hydroxylgroepen zo gepositioneerd dat ze ideale ankerpunten zijn voor watermoleculen. Watermoleculen kunnen zich aan de hydroxylgroepen hechten als bouwstenen die precies in elkaar passen. Zo vormt de hydroxyllaag de perfecte verbinding tussen veldspaat en het water dat zich als ijs hecht. "De band komt heel gemakkelijk en snel tot stand, en is ook erg stabiel", zegt Ulrike Diebold. "Om de hydroxyllaag van veldspaat te verwijderen, zou je het tot hoge temperatuur moeten verwarmen." Computersimulaties ondersteunen deze bevinding ook.

De resultaten geven inzicht in waarom specifieke kristallen in onze atmosfeer bijzonder geschikt zijn als wolkvormende kernvormingszaden. Vooral in het licht van de klimaatverandering is het belangrijk om de fysica van wolkenvorming beter te begrijpen. En soms moet je, zoals het onderzoeksproject aan de TU Wien laat zien, diep in de wereld van atomen duiken.

Meer informatie: Giada Franceschi et al, Hoe water zich bindt aan microcline veldspaat (001), The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03235

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry Letters

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen