Tone sind eine der häufigsten und vielfältigsten Gruppen von Mineralien auf der Erdoberfläche. Sie bilden sich während eines chemischen oder eines kombinierten mechanischen und chemischen Verwitterungsprozesses von kristallinem Gestein. Dieser Prozess ist komplex und scheinbar kleine Änderungen im Ausgangsgestein oder im Verwitterungsprozess und den Bedingungen können die beobachteten Verwitterungsprodukte erheblich beeinflussen.

Trotz des weit verbreiteten Vorkommens ist der Mechanismus der Tonmineralbildung weitgehend ungewiss. Dies ist größtenteils auf die Bildungsbedingungen zurückzuführen, die in einer Laborumgebung schwer zu replizieren und zu überwachen sind. Natürliche Prozesse, die Tone produzieren, finden bei niedrigen Temperaturen und über einen Zeitraum von vielen, wenn nicht sogar vielen hundert Jahren statt und führen zu Kristallen mit einer hohen Defektdichte und einer Korngröße von wenigen Mikrometern. Labormethoden können diesen Prozess nicht exakt replizieren, wenn Experimente in vernünftigen Zeiträumen durchgeführt und Partikel hergestellt werden sollen, die groß genug sind, um als Tone identifiziert zu werden. Daher muss der Syntheseprozess modifiziert, die Bedingungen verändert und indirekt Rückschlüsse auf die natürlichen Prozesse gezogen werden. Die natürliche Tonbildung findet in einer komplexen chemischen Umgebung statt, die Ionen und organische Moleküle enthält, die zwar keine Bestandteile der gebildeten Tonminerale sind, aber dennoch den Prozess beeinflussen. Obwohl viele Laborsynthesemethoden auch solche Komponenten, insbesondere organische Zusätze, enthalten, ist ihre Rolle und die Frage, ob sie wesentlich sind oder nicht, nicht ausreichend geklärt.

Unsere Forschung zu den Mechanismen der Tonbildung konzentriert sich auf die Grenzfläche zwischen einem Primärmineral und der Lösung, da die Mineraloberfläche zunächst amorphisiert und dann in einen Ton umgewandelt wird. Alternativ wird auch ein direkter Fällungsweg in Betracht gezogen. Wir sind daran interessiert, zu bestimmen, welche Bedingungen für die Tonbildung notwendig sind und wie sich Änderungen in der Reaktionsumgebung auf die Tonbildung auswirken.

Aufgrund ihres weit verbreiteten Vorkommens sind Tone auch eine wichtige Ressource für den Menschen als Vorprodukt für verschiedene Baustoffe wie Ziegel, Zement. Tonminerale werden auch bei der Herstellung von Keramik verwendet. Das Tonmineral Kaolinit wird bei der Herstellung von Porzellan eingesetzt. Es gibt jedoch auch speziellere Anwendungen von Tonmineralien wie Adsorptionsmittel, Katalysatorträger und Nanokomposite. Für diese spezielleren Anwendungen werden Tone mit gleichbleibenden, bekannten und vorzugsweise einstellbaren Eigenschaften benötigt. Solche Tone können aufgrund von Reinheits- und Konsistenzproblemen nicht immer aus natürlichen Quellen gewonnen werden. Daher spielen Tonminerale für Anwendungen wie die Katalyse, mit wenigen Ausnahmen, derzeit eine relativ geringe Rolle im Vergleich zu einer anderen Gruppe von Silikatmineralen, den Zeolithen. Zeolithe sind viel einfacher herzustellen und ihre Eigenschaften können durch Modifizierung des Syntheseprozesses oder durch Modifikationen nach der Synthese leicht eingestellt werden. Das Verständnis der Mechanismen der Bildung verschiedener Tonminerale kann die Entdeckung von Syntheseverfahren von Tonen mit wünschenswerten Eigenschaften für Katalyse- oder Nanokomposit-Anwendungen ermöglichen.

(Autoren aus der Gruppe in Fettdruck)

Blukis, R., Schindler, M., Couasnon, T., Benning, L. G. (2022): Mechanism and Control of Saponite Synthesis from a Self-Assembling Nanocrystalline Precursor. - Langmuir, 38, 25, 7678-7688. DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c00425.

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.