Atomer omarrangeres i elektrolyt og kontrollerer ionstrømmen under hårde forhold

Mineraler, der udgør klipper og jord, bliver smidt ud af ligevægt, når kemien i deres omgivelser ændres. Ændringer i pH eller koncentrationen af ​​ioner i vand får mineraler til at opløses, dyrke, eller reagere på andre måder. Disse reaktioner er påvirket af arrangementet af atomer ved grænsefladen - hvor mineraler og vand berører hinanden. Historisk set, det har været svært at studere disse strukturer, mens reaktionerne fortsætter, fordi grænsefladen konstant ændrer sig, begrænser vores forståelse af, hvordan strukturerne styrer reaktionshastigheden.

Nu, et hold ledet af Dr. Kevin Rosso ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) opnåede det første 3D-billede af atomstrukturen ved grænsefladen mellem vand og mineralet hæmatit, efterhånden som reaktionerne opstår. Den nye visning viste, hvordan grænsefladestrukturen er anderledes, mens den reagerer, og hvordan disse forskelle kan kontrollere strømmen af ​​ioner til miljøet.

Uanset om det bruges til at dyrke afgrøder eller deles fra hinanden for at lave brintbrændstof, nøjagtig modellering af vands adfærd er afgørende. Dette arbejde er den første systematiske undersøgelse af de bittesmå strukturer, der dannes ved grænsefladen mellem vand og det rigelige jernrige mineralhæmatit, når denne grænseflade er langt fra ligevægt. Forskningen giver nøgleindsigt om grænsefladen og langtfra ligevægtsforhold, der påvirker grænsefladen.

"Disse præcise målinger vil hjælpe os med at bygge bedre modeller af reaktioner, der er afgørende for grundvandskvaliteten, solvandsspaltning, og meget mere, " sagde Dr. Martin McBriarty, en PNNL geoforsker på projektet.

De mineraler, der udgør klipper og jord, er ofte ude af ligevægt med deres omgivelser, især når miljøforholdene ændrer sig. Mineraler reagerer ved at opløse, vokser, eller overføre belastning med deres miljø. Disse processer er påvirket af strukturen på atomare skala ved deres grænseflade med vand. Ofte er den eneste måde at studere disse strukturer på, når grænsefladen ikke ændrer sig.

Nu, forskere ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory og University of Chicago opnåede den første 3D-visning af atomstrukturen ved grænsefladen mellem vand og mineralet hæmatit, mens hæmatitten fungerer som en elektrode. Holdet så, hvordan atomerne ved hæmatitoverfladen og vandmolekyler i nærheden reagerede på langt fra ligevægtsforhold forårsaget af elektrisk opladning af grænsefladen. Når overfladen var negativt ladet, nogle vandmolekyler satte sig fast på overfladen, mens andre vandmolekyler blev uordnede og bevægede sig væk fra overfladen.

Hvad betyder disse strukturelle ændringer? Strømmen af ​​elektrisk ladning og ioner styres af strukturen, mens grænsefladen er opladet, og den stærkere binding af vandmolekyler ved overfladen kan forklare, hvorfor hæmatit opløses langsommere end forudsagt.

Holdets tilgang til at løse disse langt fra ligevægtsstrukturer kunne bruges til at studere andre grænseflader. Dette er den første systematiske undersøgelse af strukturen i atom- til nanoskala af en fælles mineral-vand-grænseflade, der er langt fra ligevægt. Forskningen giver et stort fremskridt til præcist at modellere reaktioner, der er vigtige for alt fra grundvandskvalitet, til energiudvinding fra undergrunden, til solvandsspaltning.