Veel monumentale gebouwen zijn gemaakt van natuurlijk kalksteen. Het is erg fijn om met dit poreuze materiaal te werken en het ziet er prachtig uit, maar de gebouwen hebben wel veel onderhoud nodig. Nanodeeltjes bieden de oplossing.

Door nanodeeltjes te injecteren wordt het materiaal veel stabieler en sterker. Onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen en de Universiteit van Oslo hebben onderzocht hoe de kristallisatie van nanodeeltjes in het kalksteen precies in zijn werk gaat.

Daarvoor keken ze naar de Stephansdom, die middenin Wenen staat. Het is een van de bekendste gebouwen in de Oostenrijkse hoofdstad. De kerk is van kalksteen gemaakt. Door weer en wind brokkelt het natuurlijke materiaal langzaam af. De calcietmineralen waaruit de steensoort is opgebouwd zijn relatief zwak met elkaar verbonden. Het gebouw staat dus vaak in de steigers voor restauratie. Dit is een langdurig en kostbaar proces.

Nano-injectie
Gelukkig biedt de nanotechnologie hier uitkomst. Door een oplossing van een speciaal silicaat van nanodeeltjes in het kalksteen te injecteren, wordt het materiaal veel sterker.

Deze methode wordt al langer toegepast, maar het was nog niet helemaal duidelijk waaróm het zo goed werkt. Daar is nu verandering in gekomen door de bevindingen van professor Markus Valtiner van de faculteit toegepaste natuurkunde van de TU Wien en zijn collega’s, die hun studie in vakblad Langmuir publiceerden.

Strak in het gelid
In een laboratorium van het DESY-synchrotron in het Duitse Hamburg is dit kunstmatige verhardingsproces onder het vergrootglas gelegd. Of zeg maar gerust onder een peperdure microscoop. Zo zijn de beste nanodeeltjes geïdentificeerd voor het versterken van dit soort kalksteen. “We gebruiken een suspensie, een vloeistof, waarin de nanodeeltjes vrij rond kunnen dobberen”, zegt Valtiner. “Als deze suspensie in de kalksteen belandt, verdampt het water en vormen de nanodeeltjes stabiele molecuulbruggen tussen de mineralen. Zo krijgt de steen extra stabiliteit.”

Colloïdaal kristal
Er ontstaat een speciaal soort kristallisatie, wanneer het water verdampt. Normaal gesproken bestaat een kristal uit een gelijkmatige schikking van individuele atomen. Maar in dit geval schikken volledige nanodeeltjes zich in een strakke kristalstructuur. Dit wordt een ‘colloïdaal kristal’ genoemd.

De kunstmatige silicaatmoleculen vormen colloïdale kristallen met elkaar, wanneer de vloeistof in de oplossing verdampt. Deze nieuwe verbindingen in het kalksteen zorgen ervoor dat het natuurlijke materiaal veel sterker wordt. Het brokkelt dus niet meer af door weersinvloeden of andere oorzaken.

Restauratiewerkzaamheden Stephansdom in Wenen. Foto: Archiv der Dombauhütte St. Stephan

Röntgenstraling
Het team wilde precies uitzoeken hoe dit kristallisatieproces in zijn werk gaat. In Hamburg werd er daarom een enorm hoge dosis röntgenstraling door het geprepareerde materiaal heen geschoten, juist op het moment dat de colloïdale kristallen werden gevormd. “We wilden heel graag weten welke factoren een rol spelen bij de sterkte van de nanoverbindingen. Het was een zoektocht naar de sterkste combinatie voor dit materiaal”, legt onderzoeker en hoofdauteur van de studie Joanna Dziadkowiec uit.

“We hebben allerlei situaties uitgetest, verschillende groottes van nanodeeltjes en verschillen in concentraties. Onder het röntgenapparaat konden we al deze scenario’s analyseren.” Het werd duidelijk dat de grootte van de nanodeeltjes een sleutelrol speelde in de zoektocht naar de sterkste oplossing.

Klein maar fijn
“Uiteindelijk zijn we erachter gekomen dat het kalksteen het meeste aan stabiliteit wint, wanneer je zo klein mogelijke nanodeeltjes injecteert. De cohesie tussen de mineralen in de natuurlijke steensoort is daar het meest bij gebaat”, aldus Dziadkowiec. “Gebruik je kleinere deeltjes, dan ontstaan er meer verbindingen in het colloïdaal kristal tussen de mineralen. Hoe meer deeltjes meedoen met het kristallisatieproces, des te krachtiger het materiaal wordt.”

Meer is beter
Heel veel kleine nanodeeltjes dus, dat werkt het beste. “De concentratie van de werkende stof in de suspensie verandert het colloïdale kristallisatieproces enigszins”, aldus Valtiner.

Deze nieuwe inzichten kunnen in de toekomst worden gebruikt om restauratieprojecten van historische gebouwen effectiever uit te voeren. Zodat ze niet na een paar jaar weer in de steigers moeten.