Das quantenmechanische Geheimnis des Rostens

Obwohl Korrosion enorme wirtschaftliche Auswirkungen hat, ist dieser Oxidationsprozess im Detail noch nicht verstanden. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) brachten nun Licht in das Dunkel dieser Zersetzungsvorgänge mit Sauerstoff.

Karlsruhe - In der Zeitschrift "Science" berichten sie, dass dabei eine quantenmechanische Eigenschaft des Sauerstoffs, der so genannte Spin, eine wesentliche Rolle spielt.

"Eigentlich müsste um uns herum alles brennen, denn unsere Luft enthält 20 Prozent Sauerstoff", sagt Hansgeorg Schnöckel vom Centrum für Funktionelle Nanostrukturen des KIT. Doch zum Glück liegt der größte Teil des für jede Verbrennung wichtigen Gases als Triplett-Sauerstoff vor. Dieser trägt nicht genügend Energie, um spontan Metalle zu oxidieren oder alles Brennbare in Flammen aufgehen zu lassen. Nur durch die Zufuhr von Energie, etwa durch Sonnenlicht in den oberen Schichten der Atmosphäre oder durch chemische Reaktionen im Labor, entsteht Singulett-Sauerstoff mit einer anderen Ausrichtung der Spins, den Drehimpulsen der Elektronen. Er ist aufgrund seiner höheren Energie sehr instabil und kann die Rostprozesse trotz seiner geringen Konzentration in der Luft in Gang setzen.

Für diese Erkenntnis fingen die Forscher winzige, aber sehr stabile Cluster aus jeweils 13 Aluminiumatomen in einem Magnetfeld ein. Triplett-Sauerstoff konnte diesen Atomhaufen nichts anhaben, aber die Singulett-Variante oxidierte das Metall ohne weitere Energiezufuhr. Damit zeigten Schnöckel und Kollegen, dass der Spin der Elektronen, die für die Bindung zwischen den Atomen verantwortlich sind, bei der Korrosion von Metallen entscheidend ist.

Nach diesen Experimenten mit kleinen Aluminium-Clustern können nun weitere mit anderen Metallen folgen. Das hat nicht nur eine Bedeutung für Korrosion und Rostbildung, sondern auch für andere Sauerstoff-Reaktionen wie Verbrennungsprozesse oder die Verwitterung von Kunststoffen.