Designerpartikler står for lag af underjordiske mineraler

(Phys.org)—For at forstå, hvordan underjordiske forurenende stoffer reagerer med magnetit og andre mineraler, forskere har brug for en letanvendelig mineral-stand-in. Et internationalt hold ledet af Pacific Northwest National Laboratory skabte analoge partikler med præcist indstillede mængder af relativt reaktivt jern, eller Fe(II), og mindre reaktivt jern, Fe(III), at matche naturlige forhold. Indstilling af dette Fe(II)/Fe(III)-forhold giver den ønskede mængde jernreaktivitet. For at teste deres proces, holdet skabte små jernoxidkugler, der ligner magnetit, undtagen med titanium tilsat for at kontrollere Fe(II)/Fe(III)-forholdet direkte.

"Dette nanopartikelsystem lader os finjustere jernet på en forudsigelig måde og bestemme reaktiviteten systematisk, " sagde Dr. Carolyn Pearce, en PNNL geokemiker, der ledede undersøgelsen.

Geokemister vil gerne vide, hvordan forurenende stoffer, såsom technetium, interagere med den reaktive fraktion af mineraler på tidligere atomvåbensteder. Men, For at opklare den slags komplekse problemer har forskerne brug for veldefinerede prøver, de kan analysere i laboratoriet. Disse nye partikler ser ud til at være gode understudier for disse mineraler. Partiklerne er også af interesse i udviklingen af ​​jernbaserede væsker, banebrydende kræftbehandling, medicin levering, kemiske sensorer, katalytisk aktivitet, fotoledende materialer, og mere traditionelle anvendelser inden for datalagring.

"PNNL's materialer er allerede blevet brugt i næste generations bioassays til cellulær nanopartikeloptagelse, " sagde Pearce. "Deres evne til at udveksle elektroner med stoffer i væsken, der omgiver dem, gør dem også til en spændende udsigt til en lang række saneringsanvendelser."

Holdet syntetiserede partiklerne på en bordplade med simpel vandig kemi, men indeholdende præcise mængder titanium dopet ind i deres krystalstrukturer, som tuner Fe(II)/Fe(III)-forholdet. Holdet udførte og rapporterede et omfattende sæt af spektroskopiske og mikroskopiske undersøgelser af disse partikler på alt fra deres atomare struktur til deres former og reaktivitet.

"At skabe partiklerne på en bordplade gør det nemt, men at forstå, hvad du har i detaljer, kræver en masse karakterisering og værktøjer, " sagde Pearce. "Med den række af instrumenter, der nu er tilgængelige, her i EMSL og på synkrotronbrugerfaciliteter, vi var i stand til at skubbe denne grundlæggende videnskab til et hidtil uset niveau."

Efter at have udført grundlæggende kemiske test, holdet vendte sig til mikrorøntgendiffraktion på vandige suspensioner af nanopartiklerne for at se på den kasselignende struktur af partiklernes atomer. Denne diffraktionsteknik viste også, at holdet kun kunne syntetisere partikler op til et vist niveau af titanium ved stuetemperatur.

Næste, holdet karakteriserede partikler Mössbauer-spektroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi med hårde røntgenstråler, hvilket gjorde det muligt for dem at undersøge partiklernes indre. De brugte derefter blødere, mindre invasive røntgenstråler ved synkrotronen for at indsamle detaljer om partiklernes overflader, hvor meget af kemien foregår.

De brugte et transmissionselektronmikroskop til at se partiklernes krystallinitet og morfologi. De fandt ud af, at partiklerne generelt var sfæriske, men med nogle krystalfacetter og en gennemsnitlig diameter på 10 til 12 nanometer.

Derefter, holdet satte partiklerne i et mere fortyndet system og kørte alle testene igen, give holdet et før og efter kig på partiklerne. Resultaterne gav holdet sammensætningen, struktur, og magnetiske egenskaber af titanomagnetitpartiklerne, med forskelle mellem den måde, partiklerne opfører sig indeni i forhold til deres overflader. De fandt ud af, at i en let sur eller protonrig væske, Fe(II) bevæger sig fra partiklens indre til overfladen til opløsningen.

"Det er virkelig svært at spore jernbevægelsen i prøver, især i de få atomlag nær overfladen, " sagde Dr. Kevin Rosso, der leder Geokemi-gruppen på PNNL og arbejdede på denne undersøgelse. "Men, i dette system gjorde vi netop det."

Ved at bestemme de komplekse formler, der forklarer, hvordan nanopartiklerne opfører sig med forskellige niveauer af jern, holdet tager nu disse data og sammenligner dem med opførselen af ​​titanomagnetit fundet på Hanford-stedet. Disse sammenligninger hjælper videnskabsmænd med bedre at forudsige, hvordan det naturlige materiale vil opføre sig, når det møder forskellige typer affald over tusinder af år.