Inde i den sorte boks af jernoxiddannelse

Fra de pragtfulde røde nuancer i Grand Canyon til den verdslige rust, der angriber en forsømt cykel, jernhydroxider er overalt omkring os. Faktisk, de er lige så almindelige som kvarts, som er det mest udbredte mineral på planeten.

Forskere ved, at jernhydroxider kan fange tungmetaller og andre giftige materialer, og at jernoxider også kan være naturlige halvledere. Selvom disse egenskaber tyder på mange anvendelser, de fulde detaljer om, hvordan jernhydroxider dannes på et kvartssubstrat, har været skjult i en slags "sort boks" - indtil nu.

Young-Shin Jun, professor i energi, miljø- og kemiteknik i McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, har udtænkt en måde at åbne den boks og observere det øjeblik jernhydroxid dannes på kvarts.

Hendes forskning blev offentliggjort i Miljøvidenskab og -teknologi .

"Dette fortæller historien om fødslen af ​​jernhydroxid, " sagde Jun.

Når folk taler om "dannelse, " typisk taler de om et stof, der vokser. Før vækst, imidlertid, der skal noget til at vokse. Hvor kommer den første smule jernhydroxid fra?

Først, tilstrækkelige forløberelementer skal være på plads. Så kan komponenterne samles og danne en stabil kerne, der vil blive til en lille, fast partikel af jernhydroxid, kaldes en partikelformet nanoskala. Processen kaldes fast nukleation.

Videnskaben har et fast greb om summen af ​​disse to processer - kernedannelse og vækst, sammen kendt som "udfældning" - og deres sum er blevet brugt til at forudsige jernhydroxids dannelsesadfærd. Men disse forudsigelser har stort set udeladt separat overvejelse af kernedannelse. Resultaterne "var ikke nøjagtige nok, " sagde Jun. "Vores arbejde giver en empiri, kvantitativ beskrivelse af nukleation, ikke en beregning, så vi kan levere videnskabelige beviser om dette manglende led."

Dette bidrag åbner mange vigtige muligheder. Vi kan bedre forstå vandkvaliteten på afvandingssteder med sure miner, reducere membrantilsmudsning og dannelse af rørledningsskala, og udvikle mere miljøvenlige superledermaterialer.

Jun var i stand til at se ind i den sorte boks med nedbør ved at bruge røntgenstråler og en ny eksperimentel celle, hun udviklede til at studere miljørelevante komplekse systemer med masser af vand, ioner og substratmateriale, observere nukleation i realtid.

Arbejder på Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory i Lemont, Illinois, Jun brugte en røntgenspredningsteknik kaldet "røntgenspredning med lille vinkel forekomst af græsning." Ved at skinne røntgenstråler på et underlag med en meget lav vinkel, tæt på den kritiske vinkel, der tillader total refleksion af lys, denne teknik kan detektere det første udseende af partikler i nanometerstørrelse på en overflade.

Fremgangsmåden er så ny, Jun sagde, at når hun diskuterer sit laboratoriums arbejde med nukleering, "Folk tror, ​​vi laver computermodellering. Men nej, vi undersøger det eksperimentelt i det øjeblik, det sker, " sagde hun. "Vi er eksperimentelle observatører. Jeg kan måle det indledende punkt for kernedannelse."

Hendes empiriske metode afslørede, at de generelle skøn, som videnskabsmænd har brugt, overdriver mængden af ​​energi, der er nødvendig til kernedannelse.

"Jernhydroxid dannes meget lettere på mineraloverflader, end forskerne troede, fordi der kræves mindre energi til kernedannelse af stærkt hydrerede faste stoffer på overflader, " sagde Jun.

Desuden, at have en præcis værdi vil også bidrage til at forbedre reaktive transportmodeller - studiet af materialers bevægelse gennem et miljø. For eksempel, visse materialer kan binde giftige metaller, forhindre dem i at komme ind i vandløb. En opdateret reaktiv transportmodel med mere nøjagtige nukleationsoplysninger vil have betydelige konsekvenser for vandkvalitetsforskere, der arbejder for bedre at forudsige og kontrollere forureningskilder. "Jernhydroxid er det vigtigste depot for disse forurenende stoffer, " sagde Jun, "og at kende deres oprindelse er afgørende for at forudsige deres skæbne."

For højteknologiske produktionsfaciliteter, at have en mere præcis forståelse af, hvordan jernoxider eller -hydroxider dannes, vil give mulighed for den mere effektive - mindre spildfulde - produktion af jernbaserede superledere.