Silikate-Kur für historische Gebäude: Nanopartikel verfestigen bröckelnden Sandstein

Viele historische Gebäude bestehen aus Sandstein, etwa der Wiener Stephansdom. Das Material lässt sich leicht bearbeiten, hält aber der Verwitterung schlecht stand. Es besteht aus Sandkörnern, die relativ schwach aneinander gebunden sind, daher bröckeln im Lauf der Jahre immer wieder Teile des Gesteins ab. Daher sind viele alte Gebäude Dauerbaustellen. Besser ist es, den Sandstein zu verfestigen. Das gelingt mit Nanopartikeln aus Silikaten, das ist ein Material auf der Basis von Silizium.

Bild: Archiv der Dombauhütte St. Stephan

Stabile Brücken zwischen den Sandkörnern

„Man verwendet dazu eine Suspension, also eine Flüssigkeit, in der die Nanopartikel zunächst frei herumschwimmen“, erklärt Professor Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien. „Wenn diese Suspension in das Gestein gelangt, verdunstet der wässrige Anteil. Die Nanopartikel bilden dann stabile Brücken zwischen den Sandkörnern und verleihen dem Gestein zusätzliche Stabilität.“

Erfolge nach dem Zufallsprinzip

Bisher gehen die Restaurateure allerdings eher blind zu Werke. Niemand weiß ganz genau, welche die unzähligen Silikate am besten geeignet sind. Und niemand weiß so recht, was bei der Behandlung chemisch-physikalisch passiert. Diese Wissenslücken haben Valtiners Team und Kollegen der Universität Oslo jetzt geschlossen. Durch aufwändige Experimente am Synchrotron DESY in Hamburg, einem Teilchenbeschleuniger, der extrem helles und scharfes Röntgenlicht erzeugt, und mit mikroskopischen Untersuchungen in Wien können die Forscher jetzt genau klären, wie dieser künstliche Härtungsprozess abläuft und bestimmen, welche Nanopartikel dafür am besten geeignet sind.

Kristalle aus Nanopartikeln

Wenn das Wasser verdunstet, kommt es zu einer ganz speziellen Art der Kristallisation. Normalerweise ist ein Kristall eine regelmäßige Anordnung einzelner Atome. Doch nicht nur Atome, sondern auch ganze Nanopartikel können sich in einer regelmäßigen Struktur anordnen – man spricht dann von einem „kolloidalen Kristall“. Die Silikat-Nanopartikel finden sich beim Trocknen im Gestein zu solchen kolloidalen Kristallen zusammen und erzeugen dadurch gemeinsam neue Verbindungen zwischen den einzelnen Sandkörnern. Dadurch wird die Festigkeit des Sandsteins erhöht.

Je kleiner desto fester

„Wir konnten zeigen, dass der Zusammenhalt zwischen den Sandkörnern umso stärker wird, je kleiner die Nanopartikel sind“, sagt Joanna Dziadkowiec, die an beiden Universitäten forscht. „Wenn man kleinere Partikel verwendet, entstehen mehr Bindungsstellen im kolloidalen Kristall zwischen zwei Sandkörner, und mit der Zahl der beteiligten Partikel steigt damit auch die Kraft, mit der sie die Sandkörner zusammenhalten.“ Künftig können Restaurateure gezielt die Silikate und deren Größe auswählen, die optimalen Erfolg versprechen.

via TU Wien