Beton erhält seine große Stabilität durch Strukturen, wie sie ähnlich auch bei modernen hochfesten Nanomaterialien vorkommen. Das haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge bei Untersuchungen mithilfe eines Rasterkraftmikroskops herausgefunden, mit dem sich die Struktur des Materials bis in atomare Dimensionen erfassen lässt. Die Ergebnisse könnten zur Entwicklung neuer Betonsorten führen, die sich billiger und mit geringerem Energieaufwand herstellen lassen.
Wenn Beton bindet und fest wird, verbinden sich die Bestandteile zu einem starren Gerüst, das überwiegend aus Kalziumsilikathydrat besteht. Die genaue Struktur dieser Verbindung war Wissenschaftlern bisher ein Rätsel, da Beton sich mit den herkömmlichen Methoden der Strukturanalyse beispielsweise durch Röntgenstrahlung oder durch Elektronenbeugung kaum untersuchen lässt. Die MIT-Forscher arbeiteten daher mit einem Rasterkraftmikroskop, bei dem eine extrem feine Nadel über die zu untersuchende Oberfläche geführt wird und aus deren Bewegung Rückschlüsse auf die Struktur des Materials gezogen werden können.
Die Partikel aus Kalziumsilikathydrat ordnen sich in Strukturen an, wie sie von zahlreichen anderen Materialien bekannt sind, fanden die Forscher heraus: Sie sind entweder zufällig gepackt wie in einer Schachtel liegende Bälle, oder sie sind exakt angeordnet wie Orangen, die auf einem Tisch zu einer Pyramide aufgestapelt sind. Diese Ordnungsprinzipien gelten bis in den Nanomaßstab und für alle Sorten von Beton, erklären die Wissenschaftler. Aus diesem Fund könnten sich einmal neue Zementsorten entwickeln lassen, die sich billiger und mit geringerem Energieaufwand herstellen lassen. Beispielsweise könnte anstelle von Kalziumverbindungen Magnesium eingesetzt werden.
Bereits eine kleine Verringerung des Energieverbrauchs und damit des Kohlendioxidausstoßes bei der Zementherstellung habe große Auswirkungen, rechnen die Forscher vor: Weltweit werden pro Kopf derzeit jedes Jahr etwa ein Kubikmeter Beton hergestellt. Schon wenige Prozent weniger Kohlendioxid bei der Zementherstellung könnte den weltweiten Ausstoß des Treibhausgases spürbar senken.
Franz-Josef Ulm (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al.: Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Bd. 55, S. 64 ddp/wissenschaft.de ? Ulrich Dewald
