Oberflächenhydratation

Oberflächenhydratation bezeichnet die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und einer Festkörperoberfläche, bei der Wassermoleküle adsorbiert und in der Nähe der Oberfläche strukturiert werden. Sie umfasst physikalische Adsorption, chemische Reaktionen und die Bildung von Oberflächenhydroxiden; die strukturierte Wasserschicht erstreckt sich oft über mehrere Molekovölker hinweg.

Am hydrophilen Festkörper, etwa Metalloxiden oder Silikaten, führt Wasser häufig zu chemischen Prozessen, bei denen OH-Gruppen entstehen und Wasserstoffbrücken gebildet werden. Bei hydrophoben Oberflächen kann sich eine stark orientierte, schemenhafte interfaciale Wasserschicht ausbilden, die Benetzungseigenschaften, Reaktionskinetik und Doppelschicht beeinflusst. Die Hydratation verändert die Oberflächenladungen, die elektrische Doppelschicht und damit die Reaktivität der Oberfläche. Temperatur, pH-Wert und gelöste Ionen modulieren Intensität und Struktur der Hydratationsschichten.

Die Oberflächenhydratation ist in vielen Feldern relevant: Sie beeinflusst Korrosion, katalytische Reaktionen, Stabilität kolloidaler Systeme und die Geochemie von Tonmineralen. In Zement- und Baustoffenanwendungen steuert sie die Hydratation, Festigkeit und Porenstruktur; in Batterien und Sensorik wirkt sie auf Grenzflächenreaktionen und elektrochemische Prozesse.

Methoden zur Untersuchung umfassen IR-Spektroskopie, Sum-Frequency Generation (SFG) Spektroskopie, AFM in Flüssigkeiten, XPS, Röntgenreflektometrie und QCM-D. Computerbasierte Ansätze wie Molekulardynamik (MD) und DFT liefern Einblicke in Struktur, Bindungsenergien und Dynamik der ersten Wasserschichten. Herausforderungen bestehen in der Abhängigkeit von pH, Ionenstärke, Temperatur und zeitlicher Dynamik der Wasserschichten.