Als ijzer dat door de bloedstroom stroomt, ijzermineralen stromen door de grond. Deze mineralen worden gebruikt om staal en andere metaallegeringen te maken die in alles worden gebruikt, van onderdelen voor mobiele telefoons en auto's tot gebouwen, industriële apparatuur en infrastructuur.

Helaas, bij blootstelling aan zuurstof en vocht, ijzer oxideert of roest. En roest is meedogenloos.

Meer weten over de chemische reacties die roest veroorzaken en in stand houden, kan aanwijzingen bevatten voor technisch verbeterde, materialen op ijzerbasis. Het kan ook leiden tot vooruitgang in meststoffen of bodemverbeteraars die de ijzeropname voor plantenvoeding verhogen.

Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy rapporteren in het tijdschrift PNAS een doorbraak in het visualiseren van de reactiviteit van roestmineralen bij zuurstofgebrek, zoals die onder het grondoppervlak. Met behulp van ijzerisotopen en atoomsondetomografie, of APT, ze volgden deze oxidatie-reductiereacties om de eerste 3D "atomaire kaarten" te maken van de herschikking van verschillende ijzeratomen in een klein ijzeroxidekristal.

De APT-kaarten onthulden een verrassend dynamische ijzercyclus, toont de voortdurende beweging van ijzer op en van de minerale oppervlakken.

"We zagen dat ijzeratomen in water specifiek kleine kuilen zochten en opvulden, of gebreken, in de kristaloppervlakken, " zei Sandra Taylor, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de Geochemistry Group van PNNL die de metingen heeft uitgevoerd. "Het zien van deze herkristalliseerde gebieden op atomaire schaal toonde ons dat de reactie beschadigde gebieden op het kristaloppervlak effectief kan 'genezen', en groei wordt gedreven door perfectie."

Kevin Rosso, een PNNL Laboratory Fellow en hoofdonderzoeker voor de studie, zegt dat de resultaten bevestigen dat reacties met roestmineralen in bodems en staalcorrosieproducten dynamischer zijn dan doorgaans wordt gedacht. Ze illustreren hoe roest op metalen buizen blijft bestaan ​​onder veranderende chemische omstandigheden, waardoor het in de loop van de tijd voortdurend kan corroderen en verslechteren.

De ontdekking maakte een eind aan een jarenlange inspanning om metingen van de chemische samenstelling en afbeeldingen op atomaire schaal in 3D vast te leggen met behulp van APT. Deze geavanceerde en uitdagende techniek vereist grote vaardigheid om met succes de oppervlakken van ijzeroxiden van nanodeeltjes te onderzoeken. De atoomsonde bevindt zich in het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij PNNL.

"Deze studie schept een nieuw precedent voor het karakteriseren van deze belangrijke redox-interface, " zei Rosso, toevoegend dat de resultaten kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan processen beter te begrijpen. Deze omvatten inzicht in hoe kristallen groeien en oplossen, en ook de onderliggende oorzaken van corrosie en hoe het roest op oppervlakken veroorzaakt - roest dat nooit slaapt.