Authors:	Söngen, Hagen
Title:	Atomic force microscopy at mineral-water interfaces : hydration, chemical identification and point defects
Online publication date:	4-Jun-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	A fundamental understanding of mineral-water interfaces is relevant in industrial processes and in diverse fields of research, such as geology and biomineralization. Atomic force microscopy (AFM) has been proven as a valuable tool for investigating mineral-water interfaces in real space. The first part of this thesis reports on new approaches in the analysis, simulation and experimental setup of three-dimensional atomic force microscopy (AFM) measurements. I derive the “three AFM equations” that can be used for the quantitative analysis of AFM data, regardless of the AFM operation mode. I implement an interactive virtual AFM that allows to check the validity of the approximation used for deriving the three AFM equations. Moreover, I present the experimental implementation of 3D AFM mapping using a custom-programmed microcontroller and a custom data-acquisition software. In the second part of the thesis, high-resolution measurement at the interface between carbonate minerals (calcite, dolomite and magnesite) and liquid water reveal atomic-scale insights in the surface hydration. I characterize the hydration structure near single point defects and demonstrate that it is even possible to chemically identify surface ions at the mineral-water interface by their different hydration. Ein grundlegendes Verständnis von Mineral-Wasser-Grenzflächen ist in industriellen Prozessen und in Wissenschaftsgebieten wie z.B. der Geologie und der Biomineralisation relevant. Eine experimentelle Methode für die Untersuchung von Mineral-Wasser-Grenzflächen im Ortsraum ist die Rasterkraftmikroskopie. Im ersten Teil dieser Arbeit stelle ich neue Ansätze für die Analyse, die Simulation und den experimentellen Aufbau von dreidimensionalen Rasterkraftmikroskopie-Messungen vor. Ich leite die „drei Rasterkraftmikroskopie-Gleichungen“ her, die (unabhängig vom Betriebsmodus) für die quantitative Auswertung von Rasterkraftmikroskopie-Daten verwendeten werden können. Mittels eines hier vorgestellten interaktiven virtuellen Rasterkraftmikroskops kann die Näherung überprüft werden, die für die Herleitung der drei Rasterkraftmikroskopie-Gleichungen verwendet wird. Ich präsentiere einen experimentellen Aufbau für die Durchführung von dreidimensionaler Rasterkraftmikroskopie mit einem selbstprogrammierten Mikrocontroller und selbstprogrammierter Datenerfassung. Im zweiten Teil dieser Arbeit beschreibe ich hochauflösende dreidimensionale Messungen an der Grenzfläche zwischen Carbonatmineralien (Calcit, Dolomit und Magnesit) und flüssigem Wasser, mit denen die Anordnung von Wasser an der Mineral-Oberfläche sichtbar wird. Ich charakterisiere die Anordnung von Wasser in der Nähe von Oberflächendefekten und demonstriere, dass sogar die chemische Identifikation von Oberflächenionen möglich ist.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4430
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000020191
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	177 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen