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Wie Nanopartikel helfen, den "Steffl" zu erhalten

Der Wiener Stephansdom, der Berliner Reichstag oder die jordanische Ruinenstätte Petra – diese historischen Bauten haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind aus Sandstein gebaut. Das Sedimentgestein besteht ungefähr zur Hälfte aus Sandkörnern und wird auch heute noch zum Bau vieler Gebäude genutzt. Denn der poröse Naturstein ist weicher als Granit oder Basalt und lässt sich einfach bearbeiten. Gleichzeitig ist er aber nicht sehr witterungsbeständig. Die einzelnen Sandkörner sind in ihrem natürlichen Zustand schwach aneinandergebunden, sodass eine Fassade aus Sandstein mit der Zeit bröckelig wird und Teile des Gebäudes abbrechen können. 

Um im Zuge von Restaurierungsarbeiten für mehr Festigkeit und Stabilität bei alten Gebäuden zu sorgen, wird das Material mit einer sogenannten „Suspension“ behandelt. Dabei handelt es sich um in Flüssigkeit gelöste Festkörper – in diesem Fall sind es Nanopartikel aus Silikat. „Sandstein ist Silikatgestein. Gleiches mit Gleichem zu verbinden, wirkt sich positiv auf die Haftkräfte aus“, erklärt der Forscher Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik an der TU Wien den Einsatz der Quarze.

Das poröse Gestein des Stephansdoms wird mit einer Silikat-angereicherten Flüssigkeit behandelt

Nanopartikel bilden Brücken

Diese Technik hat sich seit Langem bewährt – die Suspension wird bis heute allerdings blind zusammengebraut. Welche genaue Größe die Nanopartikel am besten haben sollen, um Gebäude länger zu erhalten, und was bei dem Härtungsprozess genau passiert, blieb lange Zeit unerforscht. Valtiner und seine Kollegin Joanna Dziadkowiec der Universität Oslo und der TU Wien haben diese offenen Fragen unlängst im Rahmen mehrerer Experimente am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg nun beantwortet. 

Generell verdunstet das Wasser nach der Behandlung einer Sandsteinoberfläche mit der Suspension – die Nanopartikel bleiben im Gestein erhalten. Dabei kommt es zu einer besonderen Art der Kristallisation, wobei sich die Partikel in einer regelmäßigen Struktur anordnen. Man spricht dabei von einem „kolloidalen Kristall“. Dieser fungiert als eine Art stabile Brücke zwischen den Sandkörnern.

Steffl-Fakten

Der Stephansdom gilt als Wahrzeichen Wiens und ist 107 Meter lang und 34 Meter breit. Das gotische Bauwerk besteht neben Sandstein auch aus Algenkalk aus Mannersdorf am Leithagebirge.

Bis zu 40 Jahre kann ein Restaurierungszyklus am Stephansdom dauern. Diese Arbeiten werden nach einem lange vorbereiteten Plan durchgeführt. Da verrostete Eisenverstärkungen das Gestein auch immer wieder zum Platzen bringen können, inspizieren zudem Steinmetze das Bauwerk regelmäßig.

Mit Röntgenstrahlen sehen

Mit den am DESY erzeugten Röntgenstrahlen hat das Forschungsteam die Kristallisation im Zuge des Trocknungsprozesses analysiert. „Mithilfe der hochbrillanten Strahlung kann man durch Flüssigkeiten hindurchsehen, was mit Laborgeräten nicht möglich ist“, sagt Valtiner der futurezone.

Im Zuge der Experimente wurden Silikat-Nanopartikel in der Größe von 50 Nanometer und kleiner in unterschiedlicher Konzentration untersucht. Ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters. An der TU Wien wurde zusätzlich mittels eines Interferenzmikroskops die durch die kolloidalen Kristalle erzeugte Haftkraft gemessen. Das Ergebnis des Forschungsprojekts: „Je kleiner die Nanopartikel sind, umso besser ist die Haftkraft. Während sie auskristallisieren, bilden die einzelnen Partikel Kontaktstellen“, erklärt Valtiner. Diese seien eine Art Gerüst, das die Sandkörner zusammenhält und dadurch die Widerstandsfähigkeit des Sandsteins begünstigt. 

Optimum für Konzentration

Eine höhere Konzentration an Nanopartikeln steigert die Widerstandsfähigkeit deswegen aber nicht automatisch. „Hier scheint es eine optimale Konzentration zu geben. Denn mit der Partikel-Konzentration kann man das Kristallisationsverhalten beeinflussen. Ist sie zu hoch, kristallisieren die Partikel zu flott, wodurch es weniger Kontaktstellen gibt. Ist sie zu gering, erzeugt man nicht die gewünschte Dichte der Verbindungsstellen“, sagt  der Wiener Forscher und ergänzt: „Es hat uns sehr überrascht, zu sehen, dass man hier  viel optimieren kann“.  

Neben dem noch unbekannten Optimum für die Konzentration bleiben aber noch weitere Fragen vorerst unbeantwortet. Unklar ist etwa auch, ob man mit kleineren Partikeln für eine bessere Stabilisierung tiefer ins Gestein hineingehen könne.  Zudem ließe sich momentan nicht beantworten, wie viel länger Gebäude nach einer Restaurierung mit neuen Suspensionen im Vergleich zu heutigen Mischungen währen könnten.

„Beschleunigte Alterungsversuche wurden bisher noch nicht gemacht – das wäre ein Thema für Folgeuntersuchungen“, so Valtiner. Dabei werde der Sandstein wiederholt gefroren und beregnet. Mit verbesserten Suspensionen könnten aber nicht nur alte Gebäude restauriert, sondern auch moderne Bauten errichtet werden. Generell dürften die Nanopartikel bei jedem porösen Gestein für mehr Stabilität sorgen. 

Nervenzellen mit Nanoteilchen fernsteuern

Nanopartikel finden unterschiedliche Anwendungen. In der Lebensmittelindustrie sorgen sie unter anderem bei Salz, Gewürzen oder Kaffeepulver dafür, dass diese Pulver nicht verklumpen. In der Medizin hingegen könnten sie in Zukunft als Transportmittel zum Einsatz kommen, um beispielsweise Wirkstoffe nur in bestimmte Zellen einzubringen. 

Ein Forschungsteam der Brown University, des Baylor College of Medicine und der Rice University wollen die Teilchen hingegen nutzen, um künftig bestimmte Hirnregionen beim Menschen zu aktivieren. So könnten neurologische Erkrankungen minimalinvasiv behandelt werden.

Genmanipulierte Fliege

Um dafür einmal nötige Methoden entwickeln zu können, hat das Team eine Technik zur Anwendung gebracht, mit der sie die Nervenzellen von genmanipulierten Fruchtfliegen gezielt und fast in Echtzeit „fernsteuern“ können. In einem Experiment mit den Fliegen haben die Forscher*innen in einem speziellen Ionenkanal im Nervensystem Nanopartikel eingepflanzt. Diese Teilchen lassen sich über ein Magnetfeld erhitzen und der Kanal per Hitze wiederum aktivieren und fernsteuern.

Dank der Nanopartikel könnten Neuronen laut den Projektbeteiligten etwa 50 Mal schneller aktiviert werden als mit bereits etablierten Methoden zur magnetischen Stimulation. „Die Fernsteuerung ausgewählter neuronaler Schaltkreise mit Magnetfeldern ist so etwas wie ein heiliger Gral für die Neurotechnologie. Unsere Arbeit ist ein wesentlicher Schritt in diese Richtung, denn sie erhöht die Geschwindigkeit der magnetischen Fernsteuerung und nähert sie damit der natürlichen Geschwindigkeit des Gehirns an“, sagt der Forschungsleiter Jacob Robinson von der Rice University.

Mit dieser Art der Nanotechnologie hofft das Team, das Sehvermögen von blinden Menschen durch die Stimulierung von gewissen Regionen des Gehirns teilweise wiederherzustellen und den Betroffenen ein Sehgefühl zu vermitteln.

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Andreea Iosa

Andreea Iosa beschäftigt sich mit neuesten Technologien und Entwicklungen in der Forschung – insbesondere aus Österreich – behandelt aber auch Themen rund um Raumfahrt sowie Klimawandel.

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