Alors que la microscopie à force atomique et la microscopie électronique à balayage ont fourni des informations sur la morphologie des surfaces de bitume dans le passé, on ne savait pas si la surface et la composition chimique étaient corrélées. Cependant, la composition chimique de la surface est particulièrement intéressante car des processus d'oxydation s'y déroulent, déclenchée par des molécules contenant de l'oxygène dans l'air telles que l'ozone, des oxydes d'azote ou des radicaux hydroxyles. Le processus d'oxydation accélère le vieillissement du matériau :le bitume devient poreux et des dommages se développent.

Les chimistes des matériaux Dr. Ayse Koyun et Prof. Hinrich Grothe de TU Wien ont donc examiné la surface du bitume à l'aide de diverses méthodes d'analyse physico-chimique et ont comparé les résultats respectifs les uns avec les autres. Les chercheurs ont publié les données le 29 juin dans la revue Rapports scientifiques .

Un matériau diversifié

Le bitume est produit à partir du pétrole et principalement utilisé pour la production d'asphalte. Sa consistance dépend en grande partie de la température - à des températures élevées, il est visqueux et des composés chimiques plus gros tels que les aliphatiques, les résines de pétrole et les asphaltènes se déplacent librement dans la masse. Quand le bitume refroidit, cependant, le matériau se solidifie et les molécules individuelles s'organisent selon des motifs caractéristiques. Des analyses ont déjà montré que des particules dites core-shell se forment à la surface. Ce sont des composites qui se composent d'au moins deux composants différents.

Étant donné que l'asphalte et le bitume sont utilisés pour la construction de routes ainsi que pour les travaux d'étanchéité, la durée de vie la plus longue possible du produit est souhaitable. Pour ralentir le vieillissement du matériau, réactions déclenchées par les gaz réactifs, la lumière et la chaleur doivent être minimisées. " Une fois que l'on comprend mieux le comportement à l'oxydation du bitume, nous pouvons rechercher des mesures appropriées pour prévenir le vieillissement atmosphérique. Cela peut prolonger la durée de vie d'un produit bitumineux de plusieurs années, économie d'énergie et de ressources matérielles, " explique Koyun. Dans une étude publiée dans Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, elle a déjà pu montrer comment la composition chimique du bitume affecte son processus de vieillissement.

Un mélange de méthodes fournit de nouvelles informations

En étroite collaboration avec l'Université Harvard, Bruker Nano-Surfaces Division ainsi que IONOF GmbH, Ayse Koyun, premier auteur de l'étude, a étudié la surface du bitume à l'aide de trois méthodes différentes :la spectroscopie infrarouge à l'échelle nanométrique basée sur l'expansion photothermique (AFM-IR), spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) et microscopie à fluorescence. En combinaison, ces méthodes fournissent des informations précieuses sur la nature multiphasique de la surface du bitume. "La résolution des méthodes de mesure conventionnelles utilisées pour étudier la composition de la surface est trop faible pour la caractérisation chimique. Les domaines individuels de la surface ne peuvent pas être déterminés de cette manière, " explique Koyun. " Cependant, en combinant différentes méthodes physico-chimiques, nous réussissons à cartographier la structure jusqu'à dix nanomètres. » Le résultat :la surface est hétérogène. Les découvertes des méthodes microscopiques et spectroscopiques sont corrélées et peuvent être interprétées de manière concluante.

Une image complète est créée

"Pendant longtemps, le bitume était comme une énigme non résolue pour nous, chimistes des matériaux, " dit Hinrich Grothe, chef du groupe de recherche Physico-chimie de l'atmosphère. "Nous connaissons beaucoup de détails, mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de les reconstituer en un tableau complet. Cependant, la combinaison de plusieurs méthodes physico-chimiques, comme nous les avons appliqués, a enfin pu nous montrer comment se répartissent les assemblages moléculaires individuels dans le bitume." "Cela nous a permis de résoudre le puzzle et de compléter notre connaissance du bitume, " ajoute Ayse Koyun, qui effectue deux séjours de recherche à l'Université Harvard dans le cadre d'une bourse Marshall et avec le soutien de la TU Wien.