Forskning ved hjælp af atomsondetomografi afslører sprækker i jernkrystaller, der kan heles

Som jern, der strømmer gennem blodbanen, jernmineraler løber gennem jorden. Disse mineraler bruges til at fremstille stål og andre metallegeringer, der bruges i alt fra mobiltelefonkomponenter og biler til bygninger, industrielt udstyr og infrastruktur.

Desværre, når de udsættes for ilt og fugt, jern oxiderer - eller ruster. Og rust er ubarmhjertig.

At vide mere om de kemiske reaktioner, der driver og opretholder rust, kan indeholde spor til ingeniørforbedrede, jernbaserede materialer. Det kan også føre til fremskridt inden for gødning eller jordforbedringsmidler, der øger jernoptagelsen til plantenæring.

Forskere ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory rapporterer i tidsskriftet PNAS et gennembrud i at visualisere reaktiviteten af ​​rustmineraler, når de mangler ilt, som dem under jordoverfladen. Ved hjælp af jernisotoper og atomsondetomografi, eller APT, de sporede disse oxidations-reduktionsreaktioner for at skabe de første 3-D "atomkort" over omarrangementet af forskellige jernatomer i en lille jernoxidkrystal.

APT-kortene afslørede en overraskende dynamisk jerncyklus, viser den kontinuerlige bevægelse af jern på og af mineraloverfladerne.

"Vi så, at jernatomer i vand specifikt søgte og fyldte små huller, eller mangler, i krystaloverfladerne, " sagde Sandra Taylor, en post-doc forskningsmedarbejder i PNNL's Geochemistry Group, der udførte målingerne. "At se disse omkrystalliserede områder på atomær skala viste os, at reaktionen effektivt kan 'hele' beskadigede områder på krystaloverfladen, og vækst er drevet af perfektion."

Kevin Rosso, en PNNL Laboratory Fellow og ledende efterforsker for undersøgelsen, siger resultaterne bekræfter, at reaktioner med rustmineraler i jord og stålkorrosionsprodukter er mere dynamiske end typisk antaget. De illustrerer, hvordan rust vedvarer på metalrør under skiftende kemiske forhold, gør det muligt konstant at korrodere og forringes over tid.

Opdagelsen dækkede en årelang indsats for at fange kemiske sammensætningsmålinger og billeder på atomskala i 3-D ved hjælp af APT. Denne sofistikerede og udfordrende teknik kræver stor dygtighed for med succes at sondere overfladerne af nanopartikeljernoxider. Atomsonden er placeret i Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science brugerfacilitet hos PNNL.

"Denne undersøgelse sætter en ny præcedens for karakterisering af denne vigtige redoxgrænseflade, " sagde Rosso, tilføjer, at resultaterne kan bruges til bedre at forstå en bred vifte af processer. Disse omfatter forståelse af, hvordan krystaller vokser og opløses, og også de underliggende årsager til korrosion, og hvordan det skaber rust på overflader - rust, der aldrig sover.