儘管瀝青的歷史可以追溯到公元前三千年，但人們對其表面結構所知甚少。來自奧地利維也納技術大學的研究人員現在正通過物理化學分析來闡明瀝青表面的性質。雖然原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡在過去已經提供了關於瀝青表面形態的信息，但在很長一段時間內，人們並不知道表面和化學成分是否相互關聯。
然而，表面的化學成分是特別令人感興趣的，因為氧化過程發生在那裡，由空氣中的含氧分子如臭氧、氮氧化物或羥基自由基引發。氧化過程加速了材料的老化 – 瀝青變得多孔，並出現損壞。
因此，來自維也納技術大學的材料化學家Ayse Koyun博士和Hinrich Grothe教授使用各種物理化學分析方法檢查了瀝青表面，並將各自的結果進行了比較。研究人員於2021年6月29日在《科學報告》雜誌上發表了這些數據。
一種多樣化的材料
瀝青的一致性在很大程度上取決於溫度–在高溫下，它是粘稠的，較大的化合物，如脂肪族、石油樹脂和瀝青質在質量中自由移動。然而，當瀝青冷卻時，材料會凝固，各個分子會以特有的模式排列。分析已經表明，所謂的核殼顆粒在表面形成。這些是由至少兩種不同成分組成的複合材料。
由於瀝青被用於道路建設以及防水工作，因此希望有儘可能長的產品壽命。為了延緩材料的老化，必須盡量減少由活性氣體、光和熱引發的反應。“一旦我們更好地了解瀝青的氧化行為，我們可以尋找適當的措施來防止大氣老化。這可以將瀝青產品的壽命延長許多年，節省能源和材料資源，”Koyun解釋說。在發表於《 Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》的一項研究中，她已經能夠表明瀝青的化學成分如何影響其老化過程。
混合方法提供新信息
在與哈佛大學、Bruker Nano-Surfaces Division以及IONTOF公司的密切合作下，該研究的第一作者Ayse Koyun使用三種不同的方法調查了瀝青表面：基於光熱擴展的納米級紅外光譜（AFM-IR），飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）和熒光顯微鏡。結合起來，這些方法對瀝青表面的多相性質提供了寶貴的見解。“用於研究表面成分的傳統測量方法的分辨率太低，無法進行化學表徵。表面的單個域不能以這種方式確定，”Koyun解釋說。“然而，通過結合不同的物理化學方法，我們成功地繪製了低至10納米的結構圖。”結果是：該表面是異質性的。顯微鏡和光譜方法的發現是相關的，可以被確鑿地解釋。
大氣層物理化學研究組組長Hinrich Grothe說：“在很長一段時間裡，瀝青對我們材料化學家來說就像一個未解之謎。我們知道許多細節，但直到現在還不可能將它們拼湊成一幅完整的圖畫。然而，正如我們所應用的幾種物理化學方法的組合，最終能夠向我們展示各個分子組合是如何在瀝青中分佈的。Ayse Koyun補充說：“這使我們能夠解決這個難題，並完成我們對瀝青的認識。”