Glimmer giver et fingerpeg om, hvordan vand transporterer mineraler

For at forstå forskellige miljøprocesser og lære at håndtere virkningerne af forurening bedre, videnskabsmænd har været interesseret i at spore elementernes bevægelse gennem miljøet, især ved grænseflader mellem vand og mineraler.

I en ny undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbejde med University of Illinois og Chicago og University of Delaware, kemikere har været i stand til at se på grænsefladen mellem vand og muskovitglimmer, et fladt mineral, der almindeligvis findes i granit, jord og mange sedimenter. I særdeleshed, forskerne så på indfangningen og frigivelsen af ​​rubidium - et metal, der er tæt beslægtet med, men som er lettere at udskille end almindelige grundstoffer som kalium og natrium.

I forsøget forskerne flød en rubidiumholdig opløsning over glimmeren, hvilket fik rubidium-atomer til at erstatte det kalium, der forekommer naturligt nær overfladen af ​​glimmer. Så blev rubidiumopløsningen erstattet med en, der indeholdt natrium, som igen erstattede rubidium-atomerne.

Ifølge Argonne-kemikeren Sang Soo Lee, hvem ledede undersøgelsen, dynamikken i iontransporten var i høj grad styret af elektrostatiske egenskaber ved grænsefladen mellem glimmer og vandet. I det væsentlige, rubidium-atomerne "klamrede sig" til glimmerens overflade på samme måde, som fnug klæber til tøj. Styrken af ​​den klamrende adfærd blev hovedsageligt bestemt af, hvor mange vandmolekyler der var mellem glimmerens overflade og rubidium - jo færre vandmolekyler, jo strammere klyngen.

Lee og hans Argonne-kollega, kemiker Paul Fenter, brugte Argonne's Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet, at observere aktiviteten af ​​rubidium ved hjælp af en teknik kaldet resonant anomal røntgenreflektivitet. Denne teknik gør det muligt for forskere at undersøge positionen af ​​et enkelt element ved en grænseflade.

"I bund og grund, det er som at lede efter en guldfinke i et træ, og ved at bruge en teknik, der kun viser dig, hvor gule ting er, " sagde Fenter.

Ved at bruge teknikken, forskerne var i stand til at kondensere den tidsramme, det tager at måle signalet fra dataene. "Normalt tager disse data timer at måle, men nu kan vi have en tidsopløsning på et eller to sekunder, " sagde Fenter.

At have et billede af realtidsdynamikken i denne slags grænseflader giver forskerne et nyt syn på, hvordan ioner opfatter overflader energisk. "Hvis du tænker på vores eksperimenter som at se fly i en lufthavn, så tidligere var vi kun i stand til at vide, hvor mange Boeings eller Cessnaer der var, " sagde Lee. "Nu, vi har en måde at se flyene faktisk lette og lande."

Et papir baseret på forskningen, "Realtidsobservationer af kationbytterkinetik og dynamik ved grænsefladen mellem muskovit og vand, " blev offentliggjort i Naturkommunikation den 9. juni.