Om verschillende milieuprocessen te begrijpen en de effecten van vervuiling beter aan te pakken, wetenschappers zijn geïnteresseerd in het volgen van de beweging van elementen door de omgeving, vooral op grensvlakken tussen water en mineralen.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met de Universiteit van Illinois en Chicago en de Universiteit van Delaware, scheikundigen hebben kunnen kijken naar het grensvlak tussen water en muscoviet mica, een plat mineraal dat veel voorkomt in graniet, bodems en veel sedimenten. Vooral, de onderzoekers keken naar de vangst en afgifte van rubidium - een metaal dat nauw verwant is aan, maar gemakkelijker te onderscheiden is dan gewone elementen zoals kalium en natrium.

In het experiment, de onderzoekers vloeiden een rubidiumbevattende oplossing over de mica, die ervoor zorgde dat rubidium-atomen het kalium vervingen dat van nature in de buurt van het oppervlak van het mica voorkomt. Daarna werd de rubidiumoplossing vervangen door een oplossing die natrium bevatte, die op hun beurt de rubidiumatomen vervingen.

Volgens de chemicus Sang Soo Lee uit Argonne, die de studie leidde, de dynamiek van het ionentransport werd grotendeels bepaald door elektrostatische eigenschappen op het grensvlak tussen het mica en het water. Eigenlijk, de rubidium-atomen "klampten" zich vast aan het oppervlak van het mica, net zoals pluisjes zich aan kleding hechten. De sterkte van het aanhanggedrag werd voornamelijk bepaald door het aantal watermoleculen dat zich tussen het mica-oppervlak en het rubidium bevond - hoe minder watermoleculen, hoe strakker het vastklampt.

Lee en zijn Argonne-collega, scheikundige Paul Fenter, gebruikte Argonne's Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om de activiteit van het rubidium te observeren met behulp van een techniek die resonante abnormale röntgenreflectiviteit wordt genoemd. Met deze techniek kunnen wetenschappers de positie van een enkel element op een interface onderzoeken.

"Eigenlijk, het is als zoeken naar een distelvink in een boom, en met een techniek die je alleen laat zien waar gele dingen zijn, ' zei Fenter.

Door de techniek te gebruiken, de onderzoekers waren in staat om het tijdsbestek dat nodig is om het signaal te meten uit de gegevens te condenseren. "Normaal duren deze gegevens uren om te meten, maar nu kunnen we een tijdresolutie van één of twee seconden hebben, ' zei Fenter.

Het hebben van een beeld van de real-time dynamiek van dit soort interfaces geeft wetenschappers een nieuwe kijk op hoe ionen energetisch oppervlakten waarnemen. "Als je denkt aan onze experimenten, zoals het kijken naar vliegtuigen op een luchthaven, dan konden we voorheen alleen weten hoeveel Boeings of Cessna's er waren, ' zei Lee. 'Nu, we hebben een manier om de vliegtuigen daadwerkelijk te zien opstijgen en landen."

Een paper gebaseerd op het onderzoek, "Real-time waarnemingen van de kinetiek en dynamiek van de kationenuitwisseling op het grensvlak van muscoviet en water, " werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 9 juni