Physiker der Universität Osnabrück haben die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit der Oberfläche des Minerals Calcit untersucht. Calcit, eines der häufigsten Minerale der Erde, spielt eine zentrale Rolle in natürlichen und technischen Prozessen, da es unter anderem das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid in Gesteinen und Ozeanen binden kann.
Mithilfe der hochaufgelösten Rasterkraftmikroskopie kartierten die Forscher die Anordnung und Orientierung einzelner Wassermoleküle auf der Calcit-Oberfläche. Dabei wird eine atomar scharfe Spitze, an deren Ende ein Kohlenstoffmonoxid-Molekül gebunden ist, in die Nähe der wasserbedeckten Oberfläche gebracht. Die auf die Spitze wirkenden Kräfte ermöglichen Messungen mit subatomarer Auflösung. Durch zeilenweises Abfahren der Oberfläche entsteht ein Abbild der atomaren Struktur.Die Untersuchungen ergaben, dass es zwei Typen von Wassermolekülen auf der Calcit-Oberfläche gibt, die sich in ihrer Bindung unterscheiden. Dies war bisher in der Literatur nicht beschrieben. Für die Experimente wurden spezielle Probenhalter und Messprotokolle entwickelt. Die Arbeitsgruppe um Dr. Philipp Rahe hatte zuvor bereits eine Oberflächenrekonstruktion des Calcits identifiziert, bei der sich Atome in der obersten Schicht umordnen. Dadurch entstehen zwei verschiedene Bindungspositionen für Wassermoleküle.In Zusammenarbeit mit der Universität Aalto in Finnland wurden die Prozesse durch ab-initio Simulationen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasser an einer Position die Oberflächenstruktur nur minimal verändert, während es an der zweiten Position die Atome zurück in die ursprüngliche Kristallstruktur bewegt. Dieser Prozess erfordert Energie, weshalb Wasser unterschiedlich stark an den beiden Positionen bindet, obwohl die lokale Geometrie identisch ist.
Originalpublikation
Sidestepping intermolecular hydrogen bonds: How single water molecules adsorb and assemble on the calcite(104)–(2×1) surface.
J. Heggemann, J. Huang, S. Aeschlimann, S. Spiller, A.S. Foster, P. Rahe
ACS Nano (2025), DOI: 10.1021/acsnano.5c05845
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