Mineralen waaruit rotsen en bodems bestaan, raken uit evenwicht wanneer de chemie van hun omgeving verandert. Verschuivingen in pH of de concentratie van ionen in water doen mineralen oplossen, groeien, of op een andere manier reageren. Deze reacties worden beïnvloed door de rangschikking van atomen op het grensvlak - waar mineralen en water elkaar raken. historisch, het was moeilijk om deze structuren te bestuderen terwijl de reacties gaande zijn, omdat de interface voortdurend verandert, het beperken van ons begrip van hoe de structuren de reactiesnelheid regelen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Dr. Kevin Rosso van DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) bereikte de eerste 3D-weergave van de atomaire structuur op het grensvlak van water en het mineraal hematiet terwijl de reacties plaatsvinden. De nieuwe weergave liet zien hoe de grensvlakstructuur anders is terwijl het reageert, en hoe deze verschillen de stroom van ionen in de omgeving kunnen beheersen.

Of het nu wordt gebruikt om gewassen te verbouwen of wordt opgesplitst om waterstofbrandstof te maken, het nauwkeurig modelleren van het gedrag van water is van vitaal belang. Dit werk is de eerste systematische studie van de kleine structuren die zich vormen op het grensvlak van water en het overvloedige ijzerrijke mineraal hematiet wanneer dit grensvlak verre van evenwicht is. Het onderzoek biedt belangrijke inzichten over de interface en verre van evenwichtscondities die de interface beïnvloeden.

"Deze nauwkeurige metingen zullen ons helpen betere modellen te bouwen van reacties die essentieel zijn voor de grondwaterkwaliteit, het zonnewater verdelen, en nog veel meer, " zei dr. Martin McBriarty, een PNNL-geowetenschapper op het project.

De mineralen waaruit rotsen en bodems bestaan, zijn vaak niet in evenwicht met hun omgeving, vooral als de omgevingsomstandigheden veranderen. Mineralen reageren door op te lossen, groeien, of het overdragen van lading met hun omgeving. Deze processen worden beïnvloed door de structuur op atomaire schaal op hun grensvlak met water. Vaak is de enige manier om deze structuren te bestuderen, wanneer de interface niet verandert.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van DOE's Pacific Northwest National Laboratory en de Universiteit van Chicago verkregen de eerste 3D-weergave van de atomaire structuur op het grensvlak van water en het mineraal hematiet, terwijl het hematiet als een elektrode fungeert. Het team zag hoe de atomen aan het hematietoppervlak en de watermoleculen in de buurt reageerden op verre van evenwichtsomstandigheden veroorzaakt door het elektrisch opladen van de interface. Toen het oppervlak negatief geladen was, sommige watermoleculen bleven aan het oppervlak plakken, terwijl andere watermoleculen ontregeld raakten en zich van het oppervlak verwijderden.

Wat betekenen deze structurele veranderingen? De stroom van elektrische lading en ionen wordt gecontroleerd door de structuur terwijl de interface wordt opgeladen, en de sterkere binding van watermoleculen aan het oppervlak zou kunnen verklaren waarom hematiet langzamer oplost dan voorspeld.

De benadering van het team om deze verre van evenwichtsstructuren op te lossen, zou kunnen worden gebruikt om andere interfaces te bestuderen. Dit is de eerste systematische studie van de atomaire- tot nanoschaalstructuur van een gemeenschappelijke mineraalwaterinterface die verre van evenwicht is. Het onderzoek biedt een belangrijke stap vooruit in het nauwkeurig modelleren van reacties die belangrijk zijn voor alles, van grondwaterkwaliteit, naar energiewinning uit de ondergrond, tot zonnewatersplitsing.