Solid-solid interfaces as critical regions in rocks and materials: probing forces, electrochemical reactions, friction and reactivity.

Materialstyrken til stein og granulære materialer er ofte nært knyttet til prosesser som foregår der to partikler er i kontakt med hverandre. Det overordnede målet i dette prosjektet er å finne ut av hvilke prosesser som svekker slike kontakter, og hvordan svake kontakter kan styrkes. Selv om vi observerer de destruktive effektene av svake kontakter på stor skala (jordskjelv, kompaksjon og sammensynkning av stein, og brudd i materialer), opererer mekanismene som kontrollerer kontaktstyrken ofte på mye mindre lengdeskalaer (10-9 m). For å identifisere disse mekanismene, og for å bli i stand til å endre dem, trenger vi analytiske metoder som lar oss studere de relevante prosessene på nanoskala. I dette eksperimentelle prosjektet har verktøyet vært «Surface Forces Apparatus» (SFA), et instrument som lar oss studere overflatekrefter (adhesjon og repulsjon), overflatenes reaktivitet og korrosjonsprosesser på overflatene. I dette prosjektet fokuserte vi på flere mineraler: mica, som er en atomisk glatt modelloverflate for å løse overflatekrefter i nanoskala; kalsitt, som er av stor betydning i geologiske miljøer (som drikkevannsakviferer, seismiske områder og hydrokarbonreservoarer), og kalsiumsilikat, som er en forløper for ekstremt sammenhengende kalsiumsilikathydrat i Portland-sement. Eksperimenter utført med atomisk glatte micaoverflater hjalp oss til å gjenkjenne påvirkningen av ioner på grenseflateegenskapene og aggregeringen av mica. Vi viste at adhesjon mellom overflater er sterkt kationavhengig og relaterte disse målingene til grenseflateegenskapene til mica og hydratiseringsegenskapene til de studerte kationene (publisering under utarbeidelse). Vi undersøkte deretter hvordan enkle ioner, som Na+ og Ca2+, påvirker adsorpsjonen av organiske molekyler til mica. Vi brukte dikarboksylsyrer som utgjør en god modell for organisk forbindelse for organisk materiale med lav vekt i miljøet. Mens Ca2+ forbedrer adsorpsjonen av dikarboksylanioner ved å fungere som en kationisk kobling, favoriserer ikke Na+ noen signifikant binding av de organiske ionene (publisert: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02290 ). Vi brukte videre en elektrokjemisk versjon av SFA (EC-SFA) for å vise hvordan enkle uorganiske ioner transporteres i små porer når gapet mellom to kontaktflater bare er noen få nanometer tykt. Vi kunne visualisere denne prosessen ved å kontakte glimmer mot en polariserbar gulloverflate. Ioner ble tilsatt eller fjernet fra gapet mellom overflatene ved å endre overflateladningen til gull. Vi kunne da estimere hastigheten på ionebytte (publikasjon sendt inn). Vi utforsket deretter overflatekrefter som virker mellom to kalsittoverflater. Her viste vi at Ca2+ -ioner reduserer adhesjonen mellom to kalsittoverflater, da den lave overflateladningen til kalsitt ikke fremmer attraktive ionekorrelasjonskrefter (publisert: https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.1c00220 ). I prosjektsammenheng understreker disse arbeidene at krefter mellom mineraloverflater avhenger av både løsningssammensetning og mineraltype, med konsekvenser for porøsitetsutvikling, komprimering og kohesjonsegenskaper til mineralbaserte materialer. Senere i prosjektet utviklet vi en metodikk for å studere grenseflateegenskapene til kalsitt i EC-SFA. Våre EC-SFA-eksperimenter viser variabel adhesjon mellom kalsittoverflater og elektrokjemisk modulerte gulloverflater, noe som lar oss bestemme overflateladningsegenskapene til kalsitt i en rekke geologisk og miljømessig relevante løsningsforhold. Disse funnene har implikasjoner for styrken til væskemettede karbonater (publisering under utarbeidelse). Vi brukte også EC-SFA for å indusere veksten av kalsittkrystaller i små, trange porer. Vi relaterer disse funnene til styrken til kalsittkontakter, der moderat frastøtende krefter og ingen sementerende egenskaper var assosiert med kalsittkjernedannelse i porer i nanostørrelse (publisering under utarbeidelse). Delprosjektet fokuserte på kalsiumsilikatoverflater som gir kohesjon ved hydrering. Slike reaksjoner gir tidlig mekanisk styrke til Portland sement. Våre funn bekrefter at kalsiumsilikatoverflater blir svært klebende ved eksponering for vann, uavhengig av deres høye overflateruhet. Metodikken vår er viktig i forbindelse med utvikling av bindematerialer som er alternative til kalsiumkarbonat-avledede sementtyper (publisert: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c02783 ). I det siste delprosjektet studerte vi sementeringsegenskaper til nanopartikkelsuspensjoner ved deres aggregering i små porer. Ved å bruke SFA kunne vi kvantifisere kraften som trengs for å bryte den sementerte kontakten mellom to konsoliderte overflater. Disse funnene har viktige implikasjoner for bevaring av arkitektur, der mineralsuspensjoner av nanopartikler ofte brukes som konsolideringsmidler påført på forvitrede materialer (publisert: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00486 ).

The project outcomes include the new interdisciplinary knowledge and understanding of several major phenomena related to mineral-water-mineral interaction zones and significant methodological developments. In detail, the project generated a significant amount of new experimental results that helped to identify interfacial phenomena relevant for the strength of solid-solid contacts in aqueous solutions. We generated quantitative data on adhesive and repulsive surface forces acting between mineral surfaces in the presence of simple salt ions, organic molecules, and nanoparticles. We also generated data forces acting between mineral surfaces with changing properties, by changing a surface charge of one of the mineral surfaces, or by allowing mineral nucleation and growth on one of the surfaces. We extended surface forces apparatus (SFA) technique to study many different, and also reactive, mineral surfaces, expanding the use of the technique to scientific disciplines, in which it was never or scarcely used. After the completed mobility period, we introduced the newly developed methodologies to the host organization: NJORD centre at the University of Oslo. The main impact of our project is to advance the basic knowledge about the strength of solid-solid interfaces and to provide a method to study these interfaces from a new surface forces-based perspective. Our methodological developments can likely provide more data in the future that cannot be accessed with any other experimental method. The results were obtained in experiments at the nanoscale but the knowledge can advance understanding of the processes observed at the macroscale. As such, in the long-term, the project outputs will likely have impact on many applied science fields including geotechnical engineering, soil science, geophysics, rock compaction, subsurface reservoir characterization, environmental engineering, materials engineering, and cultural heritage conservation.

Solid-solid interfaces are extremely important regions in rocks and materials. The interfaces, which are common boundaries of two alike or dissimilar solids, are the most active regions in a bulk material. A range of paramount phenomena can occur in these contact spaces. To name a few, the interfaces: enable and govern mass transport within the material; allow movement in a specific direction along the interface; confine water and other phases in narrow spaces, endowing these phases with unexpected properties; alter reactivity of contacting surfaces; and initiate surface corrosion processes. The overarching goal of this project is to recognize which processes make the interfaces weak, and how to convert the weak interfaces into the strong ones. Although we see destructive effects of weak interfaces at a macroscopic scale (earthquakes, rock compaction and subsidence, general material failure), the very mechanisms governing the interfacial strength are frequently operating at very small scales (nanometers). To recognize these mechanisms and be able to modify them, we need analytical methods that enable us to investigate the relevant nano-processes. In this experimental project, we will address the interfacial processes from the 4 main perspectives: 1) normal forces acting at the solid-solid contacts (adhesion and repulsion); 2) friction forces between two surfaces that move laterally; 3) surface reactivity in confinement; and 4) electrochemical reactions (corrosion) at interfaces. We believe that this holistic approach is necessary to improve our understanding of the interfacial processes at solid-solid contacts. There is one single instrument that allows looking at these four processes at the same time - the Surface Forces Apparatus (SFA), and we aim to use it in this project. Using the SFA, we will be able to understand how these phenomena are interconnected and affect each other, and which processes may lead to interface weakening or strengthening.