At se en saltopløsningsstruktur understøtter en hypotese om, hvordan mineraler dannes

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte neutroner, isotoper og simuleringer for at "se" atomstrukturen i en mættet opløsning og fandt beviser, der understøtter en af ​​to konkurrerende hypoteser om, hvordan ioner kommer sammen for at danne mineraler.

Studiet, rapporteret i The Journal of Physical Chemistry B , kan forbedre forståelsen af ​​ion -vand -interaktioner i katalyse, miljøsanering og industriteknik.

"Den præcise måling, vi foretog, har konsekvenser for alle former for mineraldannelsesreaktioner og affaldsproblemer i geologiske miljøer under jorden, såsom dem, der indeholder atomaffald eller hydrauliske fraktureringsvæsker, "sagde ORNL-geokemikeren Hsiu-Wen Wang." At samle intense neutroner ved Spallation Neutron Source og vores avancerede beregningsmodeller tillod os at foretage denne måling, hvilket ikke var muligt før. "

Isotoper spillede en central rolle, også. Fordi forskellige isotoper af et element indeholder det samme antal protoner, men varierende antal neutroner, en neutronstråle, der rammer en isotop, vil sprede neutroner lidt anderledes, end den ville ramme en anden isotop.

DOE prioriterer geokemisk forskning, fordi omkring 80 procent af vores energi kommer ud af jorden, hvorigennem ferskvand eller saltvand gennemsyrer. Strukturen og dynamikken i disse vandige opløsninger påvirker kemiske reaktioner, molekylære konformationer, og mineraldannelse og opløsning.

"En hypotese er, at ionpar kommer sammen for at danne mineraler, og en konkurrerende idé er, at der findes et udvidet netværk af ioner i disse løsninger, "sagde Andrew Stack, der leder ORNL's Geochemistry and Interfacial Sciences -gruppe. "Vi fandt ionpar i dette tilfælde, men fandt ikke et netværk."

I en handskerum, der reducerer eksponeringen for fugtighed, Wang og Stack lavede to ultrarene løsninger af KNO ₃ opløst i D ₂ O, eller "tungt vand". I D ₂ O, isotopen deuterium (D) erstatter brint (H) i vandets kemiske formel. Deuterium reducerer baggrundsstøj i forsøget. Den eneste forskel mellem de to salte opløsninger var, hvilke oxygen (O) isotopmærkede nitratmolekyler (NO ₃ ^- ) - enten naturligt dominerende 16O eller sjældnere 18O. En positivt ladet ion af kalium (K ⁺ ) tjente som en alternativ kation, og nitrats O -atomer kunne binde sig til enten vandets D eller K ⁺ .

Sammenlignet med sporingsnitrogen (N), sporing af O ville give et klarere billede af løsningens struktur, fordi nitrats O -atomer bindes direkte med D på vand og K ⁺ , der henviser til, at dets N -atomer kun bindes indirekte med dem gennem deres bindinger til O. I 1982, forskere brugte neutrondiffraktion til at udforske denne vandige løsning, men de er isotopisk mærket nitrats N -atomer. Ingen havde nogensinde prøvet at mærke nitrats O -atomer, fordi forfatterne til en kendt bog havde set på forskelle i neutronspredning blandt O -isotoper og konkluderet, at de var for små til at være nyttige.

Imidlertid, Mike Simonson fra ORNL vidste, at intense neutronstråler kunne gøre disse forskelle meget mere tydelige og kom på ideen til det nuværende eksperiment i 1990'erne. Det ville tage mere end to årtier, før avanceret instrumentering ville være tilgængelig for at gøre et sådant eksperiment muligt. Hos SNS, verdens mest intense pulserende, acceleratorbaseret neutronkilde, forskere henvendte sig for nylig til NOMAD -instrumentet til neutrondiffraktionsforsøg.

"NOMAD giver os mulighed for at måle en meget lille forskel i spredning mellem de to løsninger, "sagde Joerg Neuefeind, der sammen med ORNL -kollegaen Katharine Page var med til at lave og analysere målingerne. "Denne forskel kunne ikke ses uden neutroner."

Den nye måling afslørede, at i gennemsnit 3,9 tunge vandmolekyler bindes til hvert nitratmolekyle, en værdi, der bestemmes med en forbedret opløsning i forhold til brug af nitrogen.

Kører LAMMPS -software på Oak Ridge Institutional Cluster, Lukas Vlcek tunede en computersimulering, så den passede præcist, indviklede data fra iltforsøgene. Stephan Irle hjalp med at fortolke modeldataene, som afslørede i høj opløsning atomets struktur af løsningen - det vil sige hvor mange vandmolekyler, der omgiver hvert ilt på et nitrat, og hvor mange kaliumioner også gør det. Bindninger mellem nitrat og vand eller mellem nitrat og kalium bytter konstant, og beregningsmodellen kunne vise, at i gennemsnit to kaliumatomer var ionisk bundet til nitratet.

Yderligere eksperimentelle data er presserende nødvendige for at benchmark atomistiske simuleringer, som indtil nu har brugt data fra mindre præcise målemetoder. Konklusionerne fra fortyndede løsninger vil ikke være nøjagtige i modeller, der skal forudsige processer som f.eks. Skalering, hvor mineraler tilstopper rør ved industrielle raffinaderier. I øvrigt, At lære at målrette de ionpar, der først blev set i ORNL -undersøgelsen, kunne forbedre kemiske adskillelser til miljøsanering.

Dernæst vil forskerne bruge neutrondiffraktion til at undersøge solvaterede molekyler, der er betydningsfulde i mineraldannelse. Denne nye viden kan forbedre den grundlæggende forståelse af geokemi på steder som Hanford Site - DOEs største oprydningsindsats.

Papirets titel er "Dekodning af Oxyanion vandig solvationsstruktur:Et kaliumnitrateksempel ved mætning."