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Las estructuras hechas de roca porosa pueden desgastarse con el tiempo. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena ahora han investigado por primera vez en detalle cómo las nanopartículas de silicato pueden ayudar a salvarlos.
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Se construyeron varias estructuras históricas con piedra caliza, como la Catedral de San Esteban de Viena. La piedra caliza es fácil de trabajar, pero no resiste bien la intemperie. Se compone principalmente de minerales de calcita que están relativamente débilmente unidos entre sí. Debido a esto, partes de la piedra tienden a descomponerse una y otra vez a lo largo de los años. Esto a menudo requiere costosos tratamientos de conservación y restauración.
Sin embargo, es posible aumentar la resiliencia de la piedra tratándola con nanopartículas de silicato únicas. La técnica ya está en uso, pero hasta ahora no estaba claro qué sucede exactamente durante el procedimiento y qué nanopartículas son las más adecuadas para este uso.
Un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Viena y la Universidad de Oslo ha podido explicar exactamente cómo funciona este proceso de endurecimiento artificial a través de experimentos detallados en el sincrotrón DESY en Hamburgo y con investigaciones microscópicas en Viena. El equipo pudo identificar qué nanopartículas son ideales para este propósito.
Una suspensión acuosa con nanopartículas
Usamos una suspensión, un líquido en el que las nanopartículas inicialmente nadan libremente. Si esta suspensión penetra en la roca, la parte acuosa se evapora, las nanopartículas forman puentes estables entre los minerales y dan a la roca una estabilidad adicional.
Markus Valtiner, Profesor, Instituto de Física Aplicada, Universidad Tecnológica de Viena
Este método se utilizó en la tecnología de restauración, pero hasta ahora no se sabía exactamente qué procesos físicos tienen lugar.
Cuando el agua se evapora, tiene lugar un tipo extraordinario de cristalización: normalmente, un cristal es una disposición regular de átomos individuales. Pero no solo los átomos, sino también las nanopartículas enteras podrían organizarse en una estructura uniforme; entonces se habla de un «cristal coloidal».
Las nanopartículas de silicato se unen para desarrollar cristales coloidales que tienden a secarse en la roca y juntas crean nuevas conexiones entre las diferentes superficies minerales. Esto ayuda a aumentar la resistencia de la piedra natural.
Mediciones en el gran centro de investigación DESY y en Viena
Para observar este proceso de cristalización en detalle, el equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Viena utilizó la instalación de sincrotrón DESY en Hamburgo. Allí se podrían generar potentes rayos X, que luego se pueden usar para estudiar la cristalización durante el proceso de secado.
Esto fue muy importante para comprender exactamente de qué depende la fuerza de los enlaces que se forman.. Utilizamos nanopartículas de diferentes tamaños y concentraciones y estudiamos el proceso de cristalización con análisis de rayos X.
Joanna Dziadkowiec, primera autora del estudio, Universidad Tecnológica de Viena
Dziadkowiec también está conectado con la Universidad de Oslo.
Resultó que el tamaño de las partículas parece ser decisivo para un aumento óptimo de la fuerza.
Sin embargo, la Universidad Tecnológica de Viena también ha cuantificado la fuerza adhesiva de los cristales coloidales. Por esta razón, se utilizó un microscopio de interferencia único, que es ideal para cuantificar pequeñas fuerzas entre dos superficies.
Partículas pequeñas, más potencia
Pudimos demostrar que cuanto más pequeñas son las nanopartículas, más pueden fortalecer el vínculo entre los granos minerales.. El uso de partículas más pequeñas crea más sitios de unión en el cristal coloidal entre dos granos minerales, y la cantidad de partículas involucradas aumenta la fuerza con la que mantienen unidos los minerales..
Joanna Dziadkowiec, primera autora del estudio, Universidad Tecnológica de Viena
También es importante cuántas partículas están presentes en la emulsión.
«Dependiendo de la concentración de partículas, el proceso de cristalización es algo diferente, lo que afecta en detalle cómo se forman los cristales coloidales.dijo Markus Valtiner.
Los resultados del estudio se utilizarán para hacer que el trabajo de restauración sea más específico y duradero.
Referencia de la revista:
Dziadkowiec, J., y otros. (2022) Ganancia de cohesión inducida por consolidantes de nanosílice para la restauración de piedra monumental. lang muir. doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00486.
Fuente: https://www.tuwien.at/de/
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