沥青之谜：科学家使用各种物理化学分析方法检查沥青表面

尽管沥青的历史可以追溯到公元前三千年，但人们对其表面结构所知甚少。来自奥地利维也纳技术大学的研究人员现在正通过物理化学分析来阐明沥青表面的性质。 虽然原子力显微镜和扫描电子显微镜在过去已经提供了关于沥青表面形态的信息，但在很长一段时间内，人们并不知道表面和化学成分是否相互关联。

然而，表面的化学成分是特别令人感兴趣的，因为氧化过程发生在那里，由空气中的含氧分子如臭氧、氮氧化物或羟基自由基引发。氧化过程加速了材料的老化 - 沥青变得多孔，并出现损坏。

因此，来自维也纳技术大学的材料化学家Ayse Koyun博士和Hinrich Grothe教授使用各种物理化学分析方法检查了沥青表面，并将各自的结果进行了比较。研究人员于2021年6月29日在 《科学报告》 杂志上发表了这些数据。

一种多样化的材料

沥青的一致性在很大程度上取决于温度--在高温下，它是粘稠的，较大的化合物，如脂肪族、石油树脂和沥青质在质量中自由移动。然而，当沥青冷却时，材料会凝固，各个分子会以特有的模式排列。分析已经表明，所谓的核壳颗粒在表面形成。这些是由至少两种不同成分组成的复合材料。

由于沥青被用于道路建设以及防水工作，因此希望有尽可能长的产品寿命。为了延缓材料的老化，必须尽量减少由活性气体、光和热引发的反应。“一旦我们更好地了解沥青的氧化行为，我们可以寻找适当的措施来防止大气老化。这可以将沥青产品的寿命延长许多年，节省能源和材料资源，”Koyun解释说。在发表于《 Colloids and Surface s A: Physicochemical and Engineering Aspects》的一项研究中，她已经能够表明沥青的化学成分如何影响其老化过程。

混合方法提供新信息

在与哈佛大学、Bruker Nano-Surfaces Division以及IONTOF公司的密切合作下，该研究的第一作者Ayse Koyun使用三种不同的方法调查了沥青表面：基于光热扩展的纳米级红外光谱(AFM-IR)，飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)和荧光显微镜。结合起来，这些方法对沥青表面的多相性质提供了宝贵的见解。“用于研究表面成分的传统测量方法的分辨率太低，无法进行化学表征。表面的单个域不能以这种方式确定，”Koyun解释说。“然而，通过结合不同的物理化学方法，我们成功地绘制了低至10纳米的结构图。”结果是：该表面是异质性的。显微镜和光谱方法的发现是相关的，可以被确凿地解释。

大气层物理化学研究组组长Hinrich Grothe说：“在很长一段时间里，沥青对我们材料化学家来说就像一个未解之谜。我们知道许多细节，但直到现在还不可能将它们拼凑成一幅完整的图画。然而，正如我们所应用的几种物理化学方法的组合，最终能够向我们展示各个分子组合是如何在沥青中分布的。Ayse Koyun补充说：“这使我们能够解决这个难题，并完成我们对沥青的认识。”

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