Korrosionsprozesse

Tiefgehende Einblicke in die Korrosion von Glas

Forscher der Universität Bonn beobachten in Echtzeit mit Hilfe konfokaler Raman-Spektroskopie die Reaktion von Silikatglas mit wässrigen Lösungen.

Prof. Dr. Thorsten Geisler-Wierwille vom Institut für Geowissenschaften und Meteorologie der Universität Bonn am Raman-Spektrometer mit eingebautem Heizgefäß. © Barbara Frommann/Uni Bonn

Silikatglas wird unter anderem benutzt, um darin radioaktive Elemente aus abgebrannten Brennstäben einzuschmelzen. Es hat allerdings einen Nachteil – bei Kontakt mit wässrigen Lösungen korrodiert es. Wissenschaftler der Universität Bonn haben detailliert beobachten können, welche Prozesse dabei stattfinden. Die Ergebnisse sind jetzt in der Zeitschrift Nature Materials erschienen.

Die Mineralogen und Geochemiker der Universität Bonn nutzten für ihre Studie die so genannte konfokale Raman-Spektroskopie. Bei ihr wird ein Laserstrahl durch ein Mikroskop auf eine Probe fokussiert. Das Licht interagiert mit den Molekülen in dem zu untersuchenden Material und versetzt diese dabei in Schwingungen. Abhängig von der Struktur und den chemischen Eigenschaften der Probe verändern dabei einzelne zurückgestreute Photonen ihre Farbe. Dieses Phänomen wird auch als Raman-Effekt bezeichnet. Das ursprünglich einfarbige Licht enthält daher nun auch andere Farbanteile. Das Farbspektrum erlaubt detaillierte Rückschlüsse auf die Struktur und Zusammensetzung der vom Laserstrahl getroffenen Materie.

Was die Methode zusätzlich interessant macht: Der Laser lässt sich auf eine bestimmte Stelle im Raum bündeln, und das auf wenige tausendstel Millimeter genau. Auf diese Weise kann man die Probe Punkt für Punkt untersuchen. Und das nicht nur an ihrer Oberfläche – falls sie transparent ist, lässt sich der Strahl auch auf Bereiche im Innern fokussieren. „Und genau das haben wir gemacht“, erklärt Prof. Dr. Thorsten Geisler-Wierwille vom Institut für Geowissenschaften und Meteorologie der Universität Bonn.

Anzeige

Opal-Schicht auf der Glasoberfläche
Als Probe diente den Forschern ein kleines Stück Silikatglas, das sie in einem speziell entwickelten Heizgefäß mit einer wässrigen Lösung reagieren ließen. Das Gefäß ließ sich unter dem Raman-Mikroskop motorisch in Schritten von einem tausendstel Millimeter bewegen – nach rechts, links, vorne und hinten, aber auch nach oben und unten. „Wir haben das Glas computergesteuert abgetastet und dabei Punkt für Punkt ein Raman-Spektrum aufgenommen, während es mit der Lösung reagierte“, sagt Lars Dohmen, der bei Geisler-Wierwille promoviert. „So konnten wir die Reaktion nahezu in Echtzeit untersuchen. Derzeit klappt das bei Temperaturen von bis zu 150 Grad, wie sie etwa auch bei der Lagerung von Atommüll herrschen können.“

Die Ergebnisse deuten drauf hin, dass sich Silikatglas beim Kontakt mit wässrigen Lösungen schon in kurzer Zeit auflöst – fast wie ein Stück Würfelzucker im Kaffee. Während sich die Zuckermoleküle aber rasch durch Diffusion gleichmäßig im Wasser verteilen, ist das bei der Glaskorrosion nicht der Fall: Ein Teil der gelösten Kieselerde, die dabei entsteht, scheint in der Nähe der Glasoberfläche zu bleiben. Irgendwann wird ihre Konzentration so hoch, dass sie sich verfestigt.

„Wir sprechen dann auch von einer Kieselerde-Fällung“, erläutert Prof. Geisler-Wierwille. „Dabei vernetzen sich Kieselerde-Moleküle in der Lösung zu nur wenige Millionstel Millimeter großen Aggregaten, die sich auf dem Glas ablagern und in einen Opal-artigen Zustand übergehen.“ Gegen das Wasser bietet diese Opal-Schicht allerdings keinen perfekten Schutz, konnten die Forscher zeigen. Stattdessen frisst sich die Auflösungs-Fällungsfront weiter in das Glas hinein. Dieses wird so schrittweise vom Opal verdrängt, allerdings immer langsamer. „Wir haben erstmals experimentell nachgewiesen, dass sich zwischen Opalschicht und dem darunterliegenden Glas eine Grenzflächenlösung mit gelöster Kieselerde bildet“, erklärt Geisler-Wierwille. „Dabei verhindert die Opalschicht mit steigender Dicke immer stärker, dass die Kieselerde-Lösung abtransportiert werden kann. Wir vermuten, dass diese schließlich zu einer zähflüssigen Masse geliert, wodurch die Reaktion deutlich langsamer wird.“

In der Studie war das bereits nach 25 tausendstel Millimetern der Fall. „Auch wenn die Reaktion sehr langsam wurde, kann derzeit nicht ausgeschlossen werden, dass durch diesen Korrosionsprozess über lange Zeiträume radioaktive Elemente frei werden“, betont Geisler-Wierwille. Jedoch werden zur Verglasung von Atommüll Gläser verwandt, die weitaus stabiler gegenüber Wasser sind als die in der Studie untersuchte Sorte. „Wir wollen unsere Experimente demnächst auf diese Sorten ausdehnen“, betont der Wissenschaftler. Geplant sind auch Studien mit Silikatglas, in dem tatsächlich strahlende Elemente eingeschlossen sind. Dadurch wollen die Forscher zusammen mit Partnern den Einfluss von Strahlenschäden im Glas auf die Korrosionsbeständigkeit untersuchen. „Die aktuelle Arbeit sollte hauptsächlich den Beweis erbringen, dass unsere neue Methode weit reichende Erkenntnisse über diese Prozesse liefern kann“, sagt Geisler-Wierwille. 

Wie groß das Interesse der Industrie an diesen Arbeiten ist, zeigt auch die Finanzierung des Pilotprojekts: Die Mittel für die Studie stammen unter anderem von dem Glashersteller Schott AG.

Publikation:
Thorsten Geisler, Lars Dohmen, Christoph Lenting und Moritz B. K. Fritzsche: Real-time in situ observations of reaction and transport phenomena during silicate glass corrosion by fluid-cell Raman spectroscopy. Nature Materials; https://doi.org/10.1038/s41563-019-0293-8

Quelle: Universität Bonn

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

EIN MUSS FÜR LABOREXPERTEN: LABSOLUTIONS

Am 04.09.2019 erwarten Sie bei der Th. Geyer Laborfachmesse LABSOLUTIONS in der MesseHalle Hamburg-Schnelsen 60 namhafte Aussteller, 22 Fachvorträge, ein Gewinnspiel und Catering. Unbezahlbare Vorteile komplett kostenfrei für Sie. Infos und Anmeldung unter www.thgeyer.de. Wir freuen uns auf Sie!

mehr...
Anzeige
Anzeige

Raman-Spektroskopie

Metrohm übernimmt B & W Tek

Die Metrohm AG aus Herisau, Schweiz, und B & W Tek aus Newark, Delaware, USA, haben die Akquisition von B & W Teks Spectroscopy Solution Business, B & W Tek LLC, sowie mehrerer ausländische Tochtergesellschaften bekannt gegeben.

mehr...
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

Mikrobielles Arbeiten unter definierter Atmosphäre
Die A25 ist platzsparend, aber spart nicht an Funktionen! Die "kleine" Arbeitsstation verfügt über stulpenlose Handeingänge, einen Farb-Touchscreen und eine Schleuse, aber bietet dennoch strengste anaerobe Bedingungen.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

NEU: LABO Kompass
HPLC Anwenderwissen im August 2019

Kompakte Orientierung in Ihrem Laboralltag. Richten Sie sich richtig aus! Anwenderwissen, Produkt- und Firmenpräsentationen, Anbieterverzeichnis, Trends, Termine uvm.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Qualitätskontrolle

Knorpel aus der Biofabrik

Ersatz für zerstörtes Gewebe aus dem 3D-Drucker gewinnt in der regenerativen Medizin zunehmend an Bedeutung. Die Qualitätskontrolle dieser Ersatzgewebe ist schwierig. Wissenschaftler testen in einem neuen Forschungsprojekt potenzielle Techniken.

mehr...