At se rust blive til jern

Ved hjælp af en avanceret mikroskopiteknik, eksperimentører ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har været vidne til en slowmotion, atomare skala transformation af rust - jernoxid - tilbage til rent jernmetal, i alle dets kemiske trin.

Blandt de mest udbredte mineraler på jorden, jernoxider spiller en førende rolle i magnetisk datalagring, kosmetik, pigmentering af maling og medicinafgivelse. Disse materialer tjener også som katalysatorer for flere typer kemiske reaktioner, herunder fremstilling af ammoniak til gødning.

For at finjustere egenskaberne af disse mineraler for hver anvendelse, forskere arbejder med partikler i nanometerskala af oxiderne. Men for at gøre det, forskere har brug for en detaljeret, forståelse af reduktion på atomniveau, en vigtig kemisk reaktion, som jernoxider gennemgår. Den viden, imidlertid, er ofte mangelfuld, fordi reduktion - en proces, der faktisk er det modsatte af rust - skrider frem for hurtigt til, at mange typer sonder kan udforske på et så fint niveau.

I et nyt forsøg på at studere de mikroskopiske detaljer af metaloxidreduktion, forskere brugte et specielt tilpasset transmissionselektronmikroskop (TEM) på NISTs NanoLab-anlæg til at dokumentere trin-for-trin-transformationen af ​​nanokrystaller af jernoxidhæmatit (Fe) ₂ O ₃ ) til jernoxidmagnetitten (Fe ₃ O ₄ ), og til sidst at stryge metal.

"Selvom folk har studeret jernoxid i mange år, der har ikke været nogen dynamiske undersøgelser på atomskala, " sagde Wenhui Zhu fra State University of New York i Binghamton, som arbejdede på sin doktorgrad i NanoLab i 2015 og 2016. "Vi ser, hvad der rent faktisk sker under hele reduktionsprocessen i stedet for kun at studere de indledende trin."

Det er kritisk, tilføjede NIST's Renu Sharma, "hvis du vil kontrollere sammensætningen eller egenskaberne af jernoxider og forstå forholdet mellem dem."

Ved at sænke reaktionstemperaturen og sænke trykket af brintgassen, der fungerede som reduktionsmiddel, forskerne bremsede reduktionsprocessen, så den kunne fanges med et miljømæssigt TEM - et specielt konfigureret TEM, der kan studere både faste stoffer og gas. Instrumentet gør det muligt for forskere at udføre atomopløsningsbilleddannelse af en prøve under virkelige forhold - i dette tilfælde det gasformige miljø, der er nødvendigt for, at jernoxider kan undergå reduktion - snarere end under det vakuum, der kræves i almindelige TEM'er.

"Dette er det mest kraftfulde værktøj, jeg har brugt i min forskning og et af de meget få i USA, sagde Zhu. Hun, Sharma og deres kolleger beskriver deres resultater i et nyligt nummer af ACS Nano .

Holdet undersøgte reduktionsprocessen i en bikrystal af jernoxid, bestående af to identiske jernoxidkrystaller roteret med 21,8 grader i forhold til hinanden. Bikrystalstrukturen tjente også til at bremse reduktionsprocessen, gør det nemmere at følge med miljø-TEM.

Ved at studere reduktionsreaktionen, forskerne identificerede en hidtil ukendt mellemtilstand i transformationen fra magnetit til hæmatit. I mellemstadiet, jernoxiden beholdt sin oprindelige kemiske struktur, Fe ₂ O ₃ , men ændrede det krystallografiske arrangement af dets atomer fra rhombohedral (en diagonalt strakt terning) til kubisk .

Denne mellemtilstand indeholdt en defekt, hvor oxygenatomer undlader at befolke nogle af stederne i krystallen, som de normalt ville. Denne såkaldte ilttomgangsdefekt er ikke ualmindelig og er kendt for at have stor indflydelse på oxidernes elektriske og katalytiske egenskaber. Men forskerne var overraskede over at opdage, at defekterne opstod i et ordnet mønster, som aldrig før var fundet i Fes Reduktion ₂ O ₃ til Fe ₃ O ₄ , sagde Sharma.

Betydningen af ​​den mellemliggende tilstand er fortsat under undersøgelse, men det kan være vigtigt for at kontrollere reduktionshastigheden og andre egenskaber ved reduktionsprocessen, tilføjer hun. "Jo mere vi forstår, jo bedre vi kan manipulere mikrostrukturen af ​​disse oxider, " sagde Zhu. Ved at manipulere mikrostrukturen, forskere kan muligvis øge den katalytiske aktivitet af jernoxider.