Stress og belastning:Geokemister besvarer grundlæggende spørgsmål om mineralreaktioner

For geovidenskabsfolk, at se på, hvordan mineraler reagerer under forskellige forhold, kan give en hel del information om egenskaberne ved de materialer, der udgør vores verden. I nogle tilfælde, blot at udsætte mineraler for vandbaserede miljøer kan give interessante egenskaber og resultater.

I en ny undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, forskere placerede små jernoxidpartikler i en sur opløsning, forårsager oxidation af jernatomer på overfladen af ​​partiklerne. Efterhånden som reaktionen skred frem, forskerne observerede stammer, der opbyggede og trængte ind i mineralpartiklerne.

"Det, der virkelig er nyt om dette værk, er, at vi gør det med geologiske mineraler, der kan have uregelmæssige morfologier, i modsætning til idealiserede partikler med veldefinerede former. Det er en ny anvendelse af disse værktøjer til at forstå, hvordan [oxidation] sker i mineraler i nanostørrelse, "sagde Paul Fenter, Argonne fysiker.

Formen af ​​partiklerne styrede graden og typen af ​​belastning, sagde Argonne-fysiker Paul Fenter. "Når vi ser på, hvordan tingene reagerer, vi bekymrer os typisk ikke så meget om materialets form eller morfologi. I dette tilfælde, vi har et resultat, hvor den rumlige fordeling af reaktivitet i partiklen ikke er ensartet, som vi tror i sidste ende styres af dets størrelse og form, " han sagde.

Når man ser på jernoxidpartiklerne, også kendt som magnetit, Fenter og hans kolleger observerede dannelsen af ​​hæmatit, en reaktion, der begynder ved partikeloverfladen. "I bund og grund, hvad der sker er, at vi skifter fra en slags rust til en anden form for rust, "sagde postdoktorforsker Ke Yuan, undersøgelsens første forfatter.

Da forskerne observerede ændringerne i partiklen forårsaget af oxidationen, de observerede spændinger, der trængte ind i materialet, samt udseendet af isolerede defekter. "Vi bevæger os væk fra en forståelse af disse reaktioner, som sker ensartet i en stor klump materiale mod en mere sofistikeret forståelse af, hvordan partikelformen og morfologien kan ændre og påvirke, hvordan en reaktion forløber, " sagde Fenter.

"Selvom disse partikler alle er magnetit, de reagerer alle på noget forskellige måder, og så dette er en udfordring for at forstå, hvordan reaktioner forløber i systemer, hvor du har forskellige mikro- og nanostrukturer af partiklerne, " tilføjede Yuan.

For at identificere belastningsfordelingerne i materialet, forskerne brugte en teknik kaldet coherent diffraction imaging (CDI), hvilket gjorde det muligt for dem at kigge ind i materialets atomgitter. Brug af CDI ved Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, forskerne var i stand til at opdage en lille reduktion i gitterafstanden - mindre end en procent - som følge af jernets oxidation. Denne lille differentiering i gitterafstanden var spredt ujævnt ud over jernoxidpartiklerne; forskerne mener, at det er ansvarligt for at skabe de defekter, som forskerne observerede.

"APS'ens evne til at give strålende sammenhængende røntgenstråler gør den unik for denne type eksperiment, " sagde APS beamline videnskabsmand Wonsuk Cha. "Ved at generere stærkt gennemtrængende røntgenstråler med væsentlig kohærent flux, og derefter kombinere dem med dedikeret røntgenbilledinstrumentering, vi kan kortlægge den interne struktur og belastning i materialer i 3-D med rumlig opløsning i nanoskala og atomfølsomhed."

Ifølge Fenter, at anvende CDI på ægte, geokemisk relevante materialer repræsenterer et spring fremad for teknikken. "Det, der virkelig er nyt ved dette arbejde, er, at vi gør det med geologiske mineraler, der kan have uregelmæssige morfologier, i modsætning til idealiserede partikler med veldefinerede former, " sagde han. "Det er en ny anvendelse af disse værktøjer til at forstå, hvordan denne adfærd sker i mineraler i nanostørrelse."

"Det er et godt modelsystem for naturlige systemer, "Tilføjede Yuan." Det giver os en god måde at forstå reaktiviteten af ​​komplekse naturlige systemer. "

Fenter forklarede, at resultaterne kunne have større relevans for det geovidenskabelige samfund. Fremtidige undersøgelser, der ser på, hvordan ioner binder sig til et minerals overflade, kan blive påvirket af belastning, selv når denne stamme stammer fra materialets inderside, han sagde.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Oxidation inducerede belastning og defekter i magnetitkrystaller, " optrådte i 11. februar-udgaven af Naturkommunikation .