Met het blote oog kan men gemakkelijk zien dat een oude spijker in de regen laten liggen roest veroorzaakt. Wat wel de scherpe ogen en gevoelige neus van microscopie en spectroscopie vereist, is observeren hoe ijzer corrodeert en nieuwe mineralen vormt, vooral in water met een snufje natrium en calcium.

Dankzij een nieuwe techniek ontwikkeld door scheikundigen aan de Michigan Technological University, de beginfasen van dit proces kunnen in meer detail worden bestudeerd met oppervlakteanalyse. Het team, onder leiding van Kathryn Perrine, assistent-professor scheikunde, publiceerden onlangs hun laatste paper in The Journal of Physical Chemistry A .

De belangrijkste bevinding van de groep is dat het kation in oplossing - positief geladen natrium- of calciumionen - van invloed is op het type carbonaatfilms dat groeit bij blootstelling aan lucht, die is samengesteld uit atmosferische zuurstof en koolstofdioxide. De geleidelijke blootstelling van zuurstof en kooldioxide produceert carbonaatfilms die specifiek zijn voor het kation. De ijzerhydroxiden van verschillende vormen en morfologieën zijn zonder geleidelijke blootstelling aan lucht, niet specifiek voor het kation.

Een beter begrip van dit proces en hoe snel de mineralen zich vormen, opent mogelijkheden voor het monitoren van de afvang van kooldioxide, bijproducten van de waterkwaliteit en verbetering van het infrastructuurbeheer voor oude bruggen en leidingen.

Methodologieën gaan interdisciplinair

Hoewel roest en aanverwante ijzermineralen een bekend onderdeel zijn van het leven op het aardoppervlak, de omgevingen waarin ze zich vormen zijn behoorlijk complex en gevarieerd. Roest bestaat meestal uit ijzeroxiden en ijzerhydroxiden, maar corrosie kan ook leiden tot ijzercarbonaat en andere minerale vorming. Voor elk formulier het is moeilijk om de beste omstandigheden te begrijpen om het te voorkomen of te laten groeien. Perrine wijst op grote milieuproblemen, zoals de watercrisis in Flint, als een voorbeeld van hoe zoiets eenvoudigs als roest zo gemakkelijk in ingewikkelder, ongewenste daaropvolgende reacties.

"We willen chemische reacties meten en ontdekken in echte omgevingen, ’ zei Perrine, eraan toevoegend dat haar team zich specifiek richt op oppervlaktechemie, de dunne lagen en films waar water, metaal en lucht werken allemaal op elkaar in. "We moeten een hoge mate van [oppervlakte] gevoeligheid gebruiken in onze analysetools om de juiste informatie terug te krijgen, zodat we echt kunnen zeggen wat het oppervlaktemechanisme is en hoe [ijzer] transformeert."

Het bestuderen van de oppervlaktewetenschap van materialen is inherent interdisciplinair; van materiaalkunde tot geochemie, van civiele techniek tot scheikunde, Perrine ziet haar werk als een brug die andere disciplines helpt hun processen beter te informeren, modellen, interventies en innovaties. Om dit te doen vereist een hoge precisie en gevoeligheid in het onderzoek van haar groep.

Hoewel er andere methoden bestaan ​​om oppervlaktecorrosie en filmgroei te controleren, Het laboratorium van Perrine gebruikt een oppervlaktechemische benadering die kan worden aangepast om andere reductie- en oxidatieprocessen in complexe omgevingen te analyseren. In een reeks kranten, ze hebben hun drietrapsproces doorgelicht - veranderingen in de elektrolytsamenstelling beoordelen en zuurstof en koolstofdioxide uit lucht als reactant gebruiken, om real-time vorming van de verschillende mineralen te observeren die worden waargenomen op het grensvlak lucht-vloeistof-vaste stof.

Nauwkeurige metingen zijn de moleculaire lens om chemie te zien

De analysetechnieken die het team gebruikt, zijn oppervlaktegevoelige technieken:gepolariseerd gemoduleerd-infrarood reflectie-absorptiespectroscopie (PM-IRRAS), verzwakte totale reflectie-Fourier-transformatie infrarood (ATR-FTIR) spectroscopie, Röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) en atoomkrachtmicroscopie (AFM).

"De spectroscopie vertelt ons de chemie; de ​​microscopie vertelt ons de fysieke veranderingen, "Zei Perrine. "Het is echt moeilijk om deze corrosie-experimenten [in realtime met AFM] in beeld te brengen, omdat het oppervlak voortdurend verandert, en de oplossing verandert tijdens corrosie."

Wat de beelden wel onthullen, is een opeenvolging van pitting, kauwen en degraderen van het oppervlak, bekend als corrosie, die nucleatieplaatsen produceert voor de groei van mineralen. Het belangrijkste onderdeel is het bekijken van de beginfasen als een functie van de tijd.

"We kunnen de corrosie en filmgroei als functie van de tijd bekijken. De calciumchloride [oplossing] heeft de neiging om het oppervlak sneller te corroderen, omdat we meer chloride-ionen hebben, maar heeft ook een snellere carbonaatvorming, ’ zei Perrine, eraan toevoegend dat in een video die haar lab heeft opgenomen, het is mogelijk om te zien hoe natriumchloride-oplossing het oppervlak van ijzer geleidelijk aantast en roest blijft vormen terwijl de oplossing opdroogt.

Ze voegt eraan toe dat, aangezien ijzer alomtegenwoordig is in milieusystemen, het vertragen en nauwlettend observeren van mineraalvorming komt neer op het aanpassen van de variabelen in hoe het transformeert in verschillende oplossingen en blootstelling aan lucht.

De oppervlaktekatalyse-aanpak van het team helpt onderzoekers de fundamentele milieuwetenschap en andere soorten oppervlakteprocessen beter te begrijpen. De hoop is dat hun methode kan helpen bij het blootleggen van mechanismen die bijdragen aan vervuild water, manieren vinden om kooldioxide te verminderen, voorkomen dat bruggen instorten en inspireren tot slimmere ontwerpen en schonere brandstoffen, evenals een dieper inzicht geven in de geochemische processen van de aarde.