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09.03.2021

Neutronen zeigen, wie sich Wasser im Permafrost bewegt

Permafrostlandschaft Permafrostlandschaft Luftaufnahme einer Permafrostlandschaft. Mit ihren Messungen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die Prozesse in Permafrostböden an der Grenzschicht zwischen Eis und Tonmaterial besser verstehen. © Henryk Niestrój/Pixabay

Luftaufnahme einer Permafrostlandschaft. Mit ihren Messungen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die Prozesse in Permafrostböden an der Grenzschicht zwischen Eis und Tonmaterial besser verstehen. © Henryk Niestrój/Pixabay

Beim Schlittschuhlaufen bildet sich ein dünner Flüssigkeitsfilm auf der Eis-Oberfläche. Dieser ist neben anderen Ursachen für Eisglätte verantwortlich. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun einen damit verwandten Effekt an Grenzflächen zwischen Eis und porösen Tonmineralen näher untersucht. Derartige Grenzflächen finden sich in der Natur beispielsweise im Permafrost. Ihre Ergebnisse können dazu beitragen, Veränderungen in gefrorenen Böden bei steigenden Temperaturen besser zu verstehen.

Für Eis wurde bereits im 19. Jahrhundert von Michael Faraday das sogenannte „Grenzflächenschmelzen“ postuliert: Bereits unterhalb des eigentlichen Schmelzpunktes, also 0 °C, bildet sich an der freien Oberfläche ein dünner, durch die Grenzfläche hervorgerufener Flüssigkeitsfilm. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Dr. Markus Mezger, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung und Professor an der Universität Wien, haben dieses Phänomen nun an Grenzflächen zwischen Eis und Tonmineralen genauer untersucht.

Permafrostböden speichern viel Wasser

Interessant ist dieser Effekt in der Natur vor allem bei Permafrostböden – also Böden, die dauerhaft gefroren sind. Zirka ein Viertel der Landfläche auf der Nordhalbkugel sind davon bedeckt. Diese setzen sich aus einer Mischung von Eis und anderen Materialien zusammen. Durch Verwitterung von Tonmineralen entstanden über geologische Zeiträume mikroskopisch dünne Plättchen. Ähnlich wie in einem Schwamm kann viel Wasser in die engen Schlitzporen zwischen den dünnen Plättchen eindringen, dort gespeichert werden und gefrieren. So liegt sehr viel Kontaktfläche zwischen Eis und Tonmineralen vor, pro Gramm Tonmineral sind das ca. 10 Quadratmeter Oberfläche! Dies bedingt bereits unterhalb 0 °C einen vergleichsweise hohen Anteil flüssigen Wassers in der grenzflächeninduzierten Schmelzschicht.

Transport von Schadstoffen in Böden besser verstehen

Die Forschenden haben nun untersucht, wie schnell sich die Wassermoleküle in der dünnen Schmelzschicht an der Grenze zwischen Eis und Tonmineral bewegen. Dieser als „Selbst-Diffusion“ bezeichnete Wert ist direkt mit der Zähigkeit (Viskosität) verknüpft. Für drei verschiedene Minerale zeigten sie, dass die Viskosität des Wassers in der grenzflächeninduzierten Schmelzschicht teilweise deutlich oberhalb derer gewöhnlichen Wassers liegt – die Moleküle sich also nur eingeschränkt bewegen, da die Schicht zähflüssiger ist. Diese Ergebnisse können dabei helfen, verschiedene Phänomene in Zukunft besser zu verstehen, wie beispielsweise die mechanische Stabilität von Permafrost, den Transport von Pflanzennährstoffen und Schadstoffen sowie geochemische Reaktionen wie beispielsweise Ionenaustauschprozesse an Eis/Mineral-Grenzflächen.

Neutronen messen Bewegung der Moleküle

Für ihre Messungen haben die Mainzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) an der Technischen Universität München (TUM) in Garching sowie dem Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, zusammengearbeitet. Die in den dortigen Forschungsreaktoren erzeugten Neutronen treffen mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf der Probe auf. Ähnlich wie bei einem Ball, der von einem sich auf ihn zubewegenden Fahrzeug mit höherer Geschwindigkeit zurückspringt, lassen Geschwindigkeitsmessungen der an der Probe gestreuten Neutronen Rückschlüsse auf die Bewegung der Wassermoleküle in der grenzflächeninduzierten Schmelzschicht zu. Die Messungen am MLZ führte TUM-Wissenschaftlerin Dr. Wiebke Lohstroh am Flugzeitspektrometer TOFTOF durch.

Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ veröffentlicht.

Originaltext: Dr. Christian Schneider / Max-Planck Institut für Polymerforschung

Originalveröffentlichung:
Hailong Li, Julian Mars, Wiebke Lohstroh, Michael Marek Koza, Hans‐Jürgen Butt, Markus Mezger. Wassermobilität in der grenzflächeninduzierten Schmelzschicht von Eis/Tonmineral‐Nanokompositen. Angew. Chem. 133,2–9 (2021). DOI: 10.1002/ange.202013125

Kontakt:
Prof. Dr. Markus Mezger
Dynamik Kondensierter Systeme
Boltzmanngasse 5
1090 Wien,
T: +43-1-4277-72904
markus.mezger@univie.ac.at

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