Voor geowetenschappers, kijken naar hoe mineralen reageren in verschillende omstandigheden kan veel informatie opleveren over de eigenschappen van de materialen waaruit onze wereld bestaat. In sommige gevallen, alleen het blootstellen van mineralen aan op water gebaseerde omgevingen kan interessante eigenschappen en resultaten opleveren.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers plaatsten kleine ijzeroxidedeeltjes in een zure oplossing, waardoor de oxidatie van ijzeratomen op het oppervlak van de deeltjes. Naarmate de reactie vorderde, de onderzoekers observeerden spanning die zich opbouwde en binnendrong in het mineraaldeeltje.

"Wat echt nieuw is aan dit werk, is dat we het doen met geologische mineralen die onregelmatige morfologieën kunnen hebben, in tegenstelling tot geïdealiseerde deeltjes met goed gedefinieerde vormen. Het is een nieuwe toepassing van deze hulpmiddelen om te begrijpen hoe [oxidatie] plaatsvindt in mineralen van nanoformaat, " zei Paul Fenter, Argonne natuurkundige.

De vorm van de deeltjes bepaalde de mate en het type rek, zei Argonne-fysicus Paul Fenter. "Als we kijken naar hoe de dingen reageren, we maken ons doorgaans niet zoveel zorgen over de vorm of morfologie van het materiaal. In dit geval, we hebben een resultaat waarin de ruimtelijke verdeling van de reactiviteit binnen het deeltje niet uniform is, waarvan we denken dat het uiteindelijk wordt bepaald door zijn grootte en vorm, " hij zei.

Als we naar de ijzeroxidedeeltjes kijken, ook wel magnetiet genoemd, Fenter en zijn collega's observeerden de vorming van hematiet, een reactie die begint aan het deeltjesoppervlak. "Eigenlijk, wat er gebeurt is dat we van de ene soort roest veranderen in een andere soort roest, " zei postdoctoraal onderzoeker Ke Yuan, de eerste auteur van de studie.

Toen de onderzoekers de veranderingen in het deeltje door de oxidatie observeerden, ze observeerden spanning die in het materiaal doordrong, evenals het verschijnen van geïsoleerde defecten. "We gaan weg van een begrip van deze reacties als uniform in één grote klomp materiaal naar een meer geavanceerd begrip van hoe de deeltjesvorm en morfologie kunnen veranderen en beïnvloeden hoe een reactie verloopt, ' zei Fenter.

"Ook al zijn deze deeltjes allemaal magnetiet, ze reageren allemaal op enigszins verschillende manieren, en dus is dit een uitdaging om te begrijpen hoe reacties verlopen in systemen waar je verschillende micro- en nanostructuren van de deeltjes hebt, ' voegde Yuan eraan toe.

Om de rekverdelingen in het materiaal te identificeren, de onderzoekers gebruikten een techniek die coherente diffractiebeeldvorming (CDI) wordt genoemd, waardoor ze in het atomaire rooster van het materiaal konden kijken. CDI gebruiken bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, de wetenschappers konden een kleine vermindering van de roosterafstand detecteren - minder dan één procent - als gevolg van de oxidatie van het ijzer. Deze kleine differentiatie in de roosterafstand was ongelijk verdeeld over de ijzeroxidedeeltjes; de onderzoekers denken dat het verantwoordelijk is voor het creëren van de gebreken die de wetenschappers hebben waargenomen.

"Het vermogen van de APS om briljante coherente röntgenstralen te leveren, maakt het uniek voor dit soort experimenten, " zei APS-bundellijnwetenschapper Wonsuk Cha. "Door zeer doordringende röntgenstralen te genereren met een aanzienlijke coherente flux, en ze vervolgens te combineren met speciale röntgenbeeldvormingsinstrumenten, we kunnen de interne structuur en spanning in materialen in 3D in kaart brengen met ruimtelijke resolutie op nanoschaal en atomaire gevoeligheid."

Volgens Fenter, CDI toepassen op echt, geochemisch relevante materialen betekent een sprong voorwaarts voor de techniek. "Wat echt nieuw is aan dit werk, is dat we het doen met geologische mineralen die onregelmatige morfologieën kunnen hebben, in tegenstelling tot geïdealiseerde deeltjes met goed gedefinieerde vormen, " zei hij. "Het is een nieuwe toepassing van deze hulpmiddelen om te begrijpen hoe dit gedrag plaatsvindt in mineralen van nanoformaat."

"Het is een goed modelsysteem voor natuurlijke systemen, " Yuan toegevoegd. "Het geeft ons een goede manier om de reactiviteit van complexe natuurlijke systemen te begrijpen."

Fenter legde uit dat de bevindingen relevanter kunnen zijn voor de geowetenschappelijke gemeenschap. Toekomstige studies die kijken naar hoe ionen binden aan het oppervlak van een mineraal, kunnen worden beïnvloed door spanning, zelfs als die spanning van binnenuit het materiaal komt, hij zei.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Oxidatie veroorzaakte spanning en defecten in magnetietkristallen, " verscheen in het nummer van 11 februari van Natuurcommunicatie .