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Diese Reaktionen sind nicht nur für geologische, sondern auch für technische Prozesse von großer Bedeutung. So haften zum Beispiel einige Schadstoffe an Mineraloberflächen, was für die Trinkwasserversorgung wichtig ist. Einige Industrieminerale, zum Beispiel Schichtsilikate, erhalten durch Oberflächenreaktionen besondere Funktionen. Auch die Korrosion ist für technische Anwendungen von Bedeutung. Um das Speichervermögen und die Sicherheit geplanter CO2-Speicher zu erforschen, müssen Mineralreaktionen ebenfalls untersucht und verstanden werden.

Rasterkraftmikroskope haben es in den vergangenen Jahren ermöglicht, Auflösungs- und Wachstumsprozesse direkt zu beobachten und diese Prozesse besser zu verstehen. So hat sich gezeigt, dass schon geringe Mengen bestimmter Moleküle ausreichen, um das Wachstum und die Form von Kristallen zu verändern. Um den Vorgang der Biomineralisation zu verstehen und zum Beispiel Knochenersatzstoffe entwickeln zu können, muss man wissen, wie organische und anorganische Bausteine zusammenwirken. Um paläoklimatische Proxies nutzen zu können, muss man das anorganische und das biologisch-induzierte Kristallwachstum kennen. Welche Elemente sich in einem Kristall anreichern, kann davon abhängen, welcher dieser beiden Prozesse überwiegt. So lässt sich zum Beispiel die Wassertemperatur früherer Zeiten aus dem Verhältnis von Mag­nesium zu Calcium in den Kalkskeletten von Meeresorganismen errechnen. Mineraloberflächen können durch ihre geordnete Struktur auch selbst als Katalysatoren wirken und die Entstehung komplexer Moleküle begünstigen. Solche Reaktionen haben womöglich bei der Entstehung des Lebens eine Rolle gespielt.

Eine neu ins Bewusstsein gerückte Stoffklasse sind Nanopartikel und Kolloide. Oberflächengewässer enthalten immer mehr Nanopartikel, die zum Beispiel aus dem Bergbau, aus Industrieanlagen oder aus Abgasen stammen. Da sie eine große Oberfläche besitzen und sehr mobil sind, steigern sie die Reaktivität und den chemischen Transport in den Gewässern. Wie stabil diese Partikel sind, hängt zu einem großen Teil davon ab, ob sie sich im Wasser oder in der Luft befinden und welche Stoffe sich an ihrer Oberfläche festgesetzt haben. Arsen und Uran verbreiten sich zum Beispiel vor allem dann, wenn sie an Nanopartikeln wie Ferrihydrit haften. Nanopartikel lassen sich nur mit hochmodernen Instrumenten charakterisieren, die eine hohe örtliche Auflösung besitzen.

Bildung von Sulfiden (weiße Bereiche) auf sulfatreduzierenden Prokaryoten (grau) aus dem ehemaligen Uranabbaugebiet um Ronneburg. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (oben links) zeigt Nanokristallite mit einer Korngröße von etwa 5 Nanometern und Netzebenenabständen von 0,3 Nanometern (Quelle: Kilian Pollok, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)

Verwitterungsraten sind nach wie vor nur ungenau bekannt, da die grundlegenden Prozesse auf der Nanometerskala unzureichend verstanden sind. Wie stark Minerale sich auflösen, hängt vom Alter der verwitternden Oberfläche ab. So kann ein 10 bis 50 Nanometer dünner Film auf einem Millionen Jahre alten Feldspat die Verwitterungsrate um mehrere Größenordnungen herabsetzen. Dies bedeutet, dass Gesteine in Gebieten mit aktiver Tektonik oder verstärkter Erosion schneller verwittern als in tektonisch inaktiven Gebieten. Diese Unterschiede sind bisher nicht eingehend untersucht und werden daher in Modellen nicht berücksichtigt. Wie sie sich auf die globalen Elementkreisläufe und das Klima auswirken, ist daher unbekannt.

Welchen Einfluss Mikroorganismen auf Auflösungsraten haben, beginnen Geowissenschaftler gerade zu verstehen. Oft lässt sich nicht eindeutig klären, ob Mikroorganismen eine Oberfläche direkt angreifen oder ob sie nur indirekt zur Auflösung beitragen, indem sie etwa den pH-Wert herabsetzen. Die Auflösungsraten einfacher Minerale sind in der Regel gut bestimmt. Das Auflösungsverhalten von Mischkristallen und Mineralen mit variabler Struktur wird aber nur unzureichend verstanden. Wie Sekundärminerale die Auflösungsmechanismen und -raten beeinflussen, ist ebenfalls nur in Ansätzen untersucht.

Karbonatmineralien, also die Verbindungen von Kohlensäure mit Elementen wie Kalzium, Magnesium oder Eisen, könnten bei der geplanten CO2-Reduzierung eine Rolle spielen. Daher ist es wichtig, die Entstehung und die Stabilität der Karbonatmineralien zu erforschen. Um Paläoproxies und Biomineralisation zu verstehen, muss man wissen, welche Rolle organische Stoffe bei der Mineralbildung spielen. Zurzeit weiß man noch relativ wenig darüber, wie sich Minerale unter biotischen und abiotischen Bedingungen bilden und wie sich diese Bedingungen unterscheiden. Diese Prozesse lassen sich zum Beispiel nutzen, um Altlasten zu bewerten, sie sind aber auch für die Astrobiologie und das Entstehen des Lebens von Bedeutung.

Wie werden Schadstoffe in oberflächennahen Systemen transportiert, an welche Partikel sind sie gebunden und wie reagieren sie auf veränderte Umweltbedingungen? Welchen Einfluss haben industriell produzierte Nanopartikel und Aerosole auf die Biosphäre und die menschliche Gesundheit? Alle diese scheinbar einfachen Fragen befassen sich mit Prozessen auf der Nanometerskala. Sie sind nur beantwortbar, wenn man verschiedene chemische, spektroskopische und abbildende Verfahren miteinander kombiniert. Mit modernen spektroskopischen Methoden kann man reaktive Oberflächenkomplexe nahezu in Echtzeit beschreiben und Strukturen im Submikrometerbereich auflösen. Neben den klassischen Methoden der Elektronenmikroskopie gibt es einige neue Methoden, mit denen sich Prozesse auf Mineraloberflächen untersuchen lassen. Dazu zählen das Massenspektrometer NanoSIMS und die Feldflussfrak­tionierungs-Massenspektroskopie (FFF-ICP-MS). Zudem lassen sich abbildende und spektroskopische Methoden koppeln, zum Beispiel bei der AFM-Ramanspektroskopie.