Newswise – De nombreux bâtiments historiques ont été construits en calcaire, comme la cathédrale Saint-Étienne de Vienne. Le calcaire est facile à travailler, mais ne résiste pas bien aux intempéries. Il se compose principalement de minéraux de calcite qui sont relativement faiblement liés les uns aux autres, c’est pourquoi certaines parties de la pierre continuent de s’effriter au fil des ans, nécessitant souvent des traitements de restauration et de conservation coûteux.
Cependant, il est possible d’augmenter la résistance de la pierre en la traitant avec des nanoparticules de silicate spéciales. La méthode est déjà utilisée, mais ce qui se passe exactement dans le processus et quelles nanoparticules sont les mieux adaptées à cette fin n’étaient pas claires jusqu’à présent. Une équipe de recherche de la TU Wien et de l’Université d’Oslo a maintenant été en mesure de clarifier exactement comment ce processus de durcissement artificiel se déroule grâce à des expériences élaborées au synchrotron DESY à Hambourg et à des examens microscopiques à Vienne. De cette façon, l’équipe pourrait déterminer quelles nanoparticules sont les mieux adaptées à cette fin.
Une suspension aqueuse avec des nanoparticules
“Nous utilisons une suspension, un liquide, dans lequel les nanoparticules flottent initialement librement”, explique le professeur Markus Valtiner de l’Institut de physique appliquée de la TU Wien. “Lorsque cette suspension pénètre dans la roche, puis la partie aqueuse s’évapore, les nanoparticules forment des ponts stables entre les minéraux et confèrent à la roche une stabilité supplémentaire.”
Cette méthode est déjà utilisée dans la technologie de restauration, mais jusqu’à présent, on ne savait pas exactement quels processus physiques se produisent. Lorsque l’eau s’évapore, un type très particulier de cristallisation se produit : Normalement, un cristal est un arrangement régulier d’atomes individuels. Cependant, non seulement les atomes, mais aussi des nanoparticules entières peuvent s’organiser en une structure régulière – on parle alors de “cristal colloïdal”.
Les nanoparticules de silicate s’assemblent pour former de tels cristaux colloïdaux lorsqu’elles sèchent dans la roche et créent ainsi conjointement de nouvelles connexions entre les surfaces minérales individuelles. Cela augmente la résistance de la pierre naturelle.
Mesures au centre de recherche à grande échelle DESY et à Vienne
Pour observer en détail ce processus de cristallisation, l’équipe de recherche de la TU Wien a utilisé l’installation synchrotron DESY à Hambourg. Des rayons X extrêmement puissants peuvent y être générés, qui peuvent être utilisés pour analyser la cristallisation pendant le processus de séchage.
“C’était très important pour comprendre exactement de quoi dépend la force des liens qui se forment”, explique Joanna Dziadkowiec (Université d’Oslo et TU Wien), première auteure de la publication dans laquelle les résultats de la recherche ont maintenant été présentés. “Nous avons utilisé des nanoparticules de différentes tailles et concentrations et étudié le processus de cristallisation avec des analyses aux rayons X.” Il a été montré que la taille des particules est déterminante pour un gain de résistance optimal.
À cette fin, la TU de Vienne a également mesuré la force d’adhérence créée par les cristaux colloïdaux. À cette fin, un microscope interférentiel spécial a été utilisé, parfaitement adapté à la mesure de forces minuscules entre deux surfaces.
Petites particules, plus de force
“Nous avons pu montrer : Plus les nanoparticules sont petites, plus elles peuvent renforcer la cohésion entre les grains de minéraux”, explique Joanna Dziadkowiec. “Si vous utilisez des particules plus petites, davantage de sites de liaison sont créés dans le cristal colloïdal entre deux grains de minéraux, et avec le nombre de particules impliquées, la force avec laquelle elles maintiennent les minéraux ensemble augmente également.” Le nombre de particules présentes dans l’émulsion est également important. “Selon la concentration de particules, le processus de cristallisation se déroule légèrement différemment, ce qui a une influence sur la façon dont les cristaux colloïdaux se forment en détail”, explique Markus Valtiner. Les nouvelles découvertes seront désormais utilisées pour rendre les travaux de restauration plus durables et plus ciblés.
