Overfladekemi afslører ætsende hemmeligheder

Man kan let se med det blotte øje, at at efterlade en gammel søm ude i regnen forårsager rust. Det, der kræver de skarpe øjne og følsomme næse ved mikroskopi og spektroskopi, er at observere, hvordan jern tærer og danner nye mineraler, især i vand med en knivspids natrium og calcium.

Takket være en ny teknik udviklet af kemikere ved Michigan Technological University, de indledende faser af denne proces kan studeres mere detaljeret med overfladeanalyse. Holdet, ledet af Kathryn Perrine, adjunkt i kemi, for nylig udgivet deres seneste papir i Journal of Physical Chemistry A .

Gruppens vigtigste fund er, at kationen i opløsning - positivt ladede natrium- eller calciumioner - påvirker typen af ​​carbonatfilm, der vokser, når de udsættes for luft, som er sammensat af atmosfærisk ilt og kuldioxid. Den gradvise eksponering af ilt og kuldioxid producerer carbonatfilm, der er specifikke for kationen. Jernhydroxiderne i forskellige former og morfologier er uden gradvis lufteksponering, ikke specifik for kationen.

En bedre forståelse af denne proces og hvor hurtigt mineralerne dannes åbner muligheder for overvågning af kuldioxidopsamling, biprodukter af vandkvalitet og forbedring af infrastrukturforvaltning for gamle broer og rør.

Metoder går tværfagligt

Selvom rust og beslægtede jernmineraler er en velkendt del af livet på Jordens overflade, de miljøer, de danner i, er ret komplekse og varierede. Rust består normalt af jernoxider og jernhydroxider, men korrosion kan også føre til jerncarbonat og anden mineraldannelse. For hver formular, det er svært at forstå de bedste betingelser for at forhindre eller dyrke det. Perrine peger på store miljøspørgsmål som Flint -vandkrisen som et eksempel på, hvordan noget så simpelt som rust så let kan glide ind i mere kompliceret, uønskede efterfølgende reaktioner.

"Vi ønsker at måle og afdække kemiske reaktioner i virkelige miljøer, "Sagde Perrine, tilføjer, at hendes team fokuserer specifikt på overfladekemi, de tynde lag og film, hvor vand, metal og luft interagerer alle. "Vi skal bruge et højt niveau af [overflade] følsomhed i vores analyseværktøjer for at få den rigtige information tilbage, så vi virkelig kan sige, hvad der er overflademekanismen, og hvordan [jern] transformerer."

At studere materialets overfladevidenskab er i sagens natur tværfagligt; fra materialevidenskab til geokemi, fra civilingeniør til kemi, Perrine ser sit arbejde som en bro, der hjælper andre discipliner med bedre at informere deres processer, modeller, interventioner og innovationer. For at gøre det kræver høj præcision og følsomhed i hendes gruppes forskning.

Mens der findes andre metoder til overvågning af overfladekorrosion og filmvækst, Perrines laboratorium anvender en overfladekemisk tilgang, der kan tilpasses til at analysere andre reduktions- og oxidationsprocesser i komplekse miljøer. I en række papirer, de undersøgte deres tretrinsproces-vurderede ændringer i elektrolytkompositionen og brugte ilt og kuldioxid fra luft som reaktant, at observere dannelse i realtid af de forskellige mineraler observeret ved luft-væske-fast grænseflade.

Præcise målinger er molekylær linse til at se kemi

De analyseteknikker, teamet anvender, er overfladefølsomme teknikker:polariseret moduleret-infrarød refleksionsabsorptionsspektroskopi (PM-IRRAS), svækket total reflektans-Fourier transform infrarød (ATR-FTIR) spektroskopi, Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og atomkraftmikroskopi (AFM).

"Spektroskopien fortæller os kemien; mikroskopien fortæller os de fysiske ændringer, "Sagde Perrine." Det er virkelig svært at [billede] disse korrosionsforsøg [i realtid med AFM], fordi overfladen konstant ændrer sig, og løsningen ændrer sig under korrosion. "

Hvad billederne afslører er en sekvens af gruber, tygge og nedbryde overfladen, kendt som korrosion, som producerer nukleationssteder til vækst af mineraler. Den centrale del er at se de indledende faser som en funktion af tiden.

"Vi kan se korrosion og filmvækst som en funktion af tiden. Calciumchlorid [opløsning] har en tendens til at tære overfladen hurtigere, fordi vi har flere kloridioner, men har også en hurtigere dannelse af carbonat, "Sagde Perrine, tilføjede, at hendes laboratorium optog i en video, det er muligt at se, hvordan natriumchloridopløsning korroderer overfladen af ​​jern gradvist og fortsætter med at danne rust, når opløsningen tørrer.

Hun tilføjer, at da jern er allestedsnærværende i miljøsystemer, bremse og nøje observere mineraldannelse kommer ned på at justere variablerne i, hvordan det transformerer i forskellige løsninger og eksponering for luft.

Teamets overfladekatalysetilgang hjælper forskere med bedre at forstå grundlæggende miljøvidenskab og andre typer overfladeprocesser. Håbet er, at deres metode kan hjælpe med at afdække mekanismer, der bidrager til forurenet vand, finde måder at dæmpe kuldioxid på, forhindre bro kollaps og inspirere til smartere design og renere brændstoffer, samt give dybere indsigt i Jordens geokemiske processer.