Wolken bestehen aus kleinen Wassertröpfchen oder Eiskristallen. Sie bilden sich, wenn Wasserdampf an winzigen Partikeln kondensiert. Diese nur Mikrometer großen Teilchen – Nukleationskeime oder Aerosole genannt – entstehen durch natürliche Prozesse (Salz aus dem Meer, Sand aus Wüsten) oder werden durch menschliche Aktivität verursacht (Schadstoffe aus Industrie und Verkehr, Rußpartikel von Feuern). Sie sind ein wesentlicher Faktor für das Klima, da Wolken Sonnenstrahlung reflektieren und dadurch einen kühlenden Effekt haben.
Dass Feldspat-Partikel eine bemerkenswerte Fähigkeit haben, Wasser sehr effektiv an sich zu binden und damit besonders gute Nukleationskeime sind, ist schon länger bekannt, man wusste bisher aber nicht genau warum. Ein Team um Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien hat nun die Gründe dafür untersucht. Die Forscher und Forscherinnen verwendeten dazu ein Rasterkraftmikroskop, das Bilder der Oberfläche einer Probe in atomarer Auflösung liefert.
Wassereinschlüsse im Gestein
„Wir brachten ein Stück Feldspat in die Vakuumkammer des Mikroskops ein und spalteten es in zwei Hälften, um eine unversehrte, saubere Feldspat-Oberfläche zu bekommen“, erklärte die Erstautorin der im Fachmagazin „Journal of Physical Chemistry Letters“ erschienenen Publikation, Giada Franceschi, aus dem Team Diebolds in einer Aussendung der TU. Doch statt des sauberen Feldspats zeigte das Mikroskop eine von OH-Gruppen bedeckte Oberfläche.
Als Grund dafür entpuppten sich winzige Wassereinschlüsse im Gestein. Beim Auseinanderbrechen des Minerals wird ein wenig Wasserdampf frei, der sich an der frischen Oberfläche anlagern. Dabei brechen die Wassermoleküle auseinander und es bilden sich OH-Gruppen, also sogenannte Hydroxylgruppen aus jeweils einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom. „Auch in der Natur wird die Oberfläche von Feldspat mit einer solchen Hydroxylschicht bedeckt“, so Franceschi.
Durch die Kristallstruktur des Feldspat sind diese Hydroxylgruppen so positioniert, dass daran perfekt Wassermoleküle andocken können. Die Hydroxylschicht bildet somit die perfekte Verbindung zwischen Feldspat und dem Wasser, das sich als Eis anlagert. Diese Bindung werde sehr leicht und schnell hergestellt, „und sie ist auch sehr stabil“, so Diebold.