Die Bildung von Bindungen bei der Entstehung von anorganischen Festphasen aus der Lösung folgt in der Regel einer Reihe komplexer Schritte. Die Tatsache, dass die entstehenden Spezies oft strukturell nanopartikulär und in vielen Fällen instabil sind, diktiert, dass sie idealerweise nicht nur auf Längenskalen < 100 nm, sondern auch so in situ wie möglich charakterisiert werden müssen. Zu diesem Zweck stellen lösungsbasierte Röntgenstreumethoden eines der vielseitigsten Werkzeuge zur Untersuchung nanostrukturierter Materialien während ihrer Entstehung dar.

In diesem Projekt wenden wir die Streumethoden: Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS) und Totalstreuung (mit Analyse der Paarverteilungsfunktion (PDF)) an, um die Bildung und Umwandlungswege verschiedener Mineralphasen aus Lösungen zu untersuchen. Derzeit konzentrieren sich unsere Forschungsaktivitäten auf die Bildung von Calciumsulfat (z.B. Gips, Bassanit), Phosphaten (z.B. Struvit) und verschiedenen Alumosilkaten (z.B. Saponit). Darüber hinaus entwickeln wir numerische und grundlegende mathematische Methoden für die Modellierung und Interpretation von Streudaten.

Wir sind fortgeschrittene Nutzer von röntgenstrahlenerzeugenden Synchrotronanlagen wie Diamond Light Source (UK), European Synchrotron Radiation Facility, ESRF (Frankreich), oder Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY (Hamburg). Durch lokale Kooperationen haben wir auch Zugang zu Labor-Quelleninstrumenten im Bereich Berlin.

Um den detaillierten Mechanismus der Keimbildung und des Wachstums hydratisierter Phosphatmineralphasen zu entschlüsseln, führten wir im Dezember 2022 an der Diamond Light Source (UK) in der Strahlenlinie I22 Synchrotron-Experimente durch, um ihre zeitaufgelöste Bildung mittels In-situ-SAXS/WAXS bei unterschiedlichen Übersättigungen und umweltrelevanten Temperaturen zu verfolgen. Wir konnten die Kinetik des Kristallwachstums bei verschiedenen Temperaturen modellieren, um den Wachstumsmechanismus und die Aktivierungsenergie dieser Mineralien abzuleiten. Unsere Ergebnisse lieferten neue Erkenntnisse über die Kristallisationskinetik dieser Mineralien und ihre Auswirkungen auf den Phosphat-Nährstoffkreislauf in diesen Systemen.

(Autoren aus der Gruppe in Fettdruck)

Besselink, R., Stawski, T.M., Freeman, H.M., Hövelmann, J., Tobler, D.J., Benning, L.G. (2020). Mechanism of saponite crystallization from a rapidly formed amorphous intermediate. Crystal Growth & Design, 20, 5, 3365-3373. DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00151.

Stawski, T.M., Besselink, R., Chatzipanagis, K., Hövelmann, J., Benning, L.G., Van Driessche, A.E.S (2020). Nucleation pathway of calcium sulfate hemihydrate (bassanite) from solution: implications for calcium sulfates on Mars. The Journal of Physical Chemistry C. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c01041.

Hövelmann, J., Stawski, T., Freeman, H., Besselink, R., Mayanna, S., Perez, J.P.H., Hondow, N.S., Benning, L.G. (2019). Struvite crystallisation and the effect of Co2+ ions. Minerals, 9, 9, 503. DOI: 10.3390/min9090503.

Stawski, T., Freeman, H., Van Driessche, A.E.S., Hövelmann, J., Besselink, R., Wirth, R., Benning, L. G. (2019). Particle-mediated nucleation pathways are imprinted in the internal structure of calcium sulfate single crystals. Crystal Growth and Design, 19, 7, 3714-3721. DOI: 10.1021/acs.cgd.9b00066.

Stawski, T., Van Driessche, A.E.S., Besselink, R., Byrne, E.H., Raiteri, P., Gale, J.D., Benning, L.G. (2019). The structure of CaSO4 nanorods: The precursor of gypsum. The Journal of Physical Chemistry C, 123, 37, 23151-23158. DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b04268.

Matamoros-Veloza, A., Stawski, T., & Benning, L.G. (2018). Nanoparticle assembly leads to mackinawite formation. Crystal Growth and Design, 18, 11, 6757-6764. DOI: 10.1021/acs.cgd.8b01025.