Van de schitterende rode tinten in de Grand Canyon tot de alledaagse roest die een verwaarloosde fiets aanvalt, ijzerhydroxiden zijn overal om ons heen. Eigenlijk, ze zijn net zo gewoon als kwarts, wat het meest verspreide mineraal op de planeet is.

Wetenschappers weten dat ijzerhydroxiden zware metalen en andere giftige materialen kunnen opvangen, en dat ijzeroxiden ook natuurlijke halfgeleiders kunnen zijn. Hoewel deze eigenschappen veel toepassingen suggereren, de volledige details van hoe ijzerhydroxiden zich vormen op een kwartssubstraat zijn tot nu toe verborgen in een soort 'zwarte doos'.

Jong-Shin juni, een professor in energie, milieu- en chemische technologie aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, heeft een manier bedacht om die doos te openen en te observeren op het moment dat ijzerhydroxide zich vormt op kwarts.

Haar onderzoek is gepubliceerd in Milieuwetenschap en -technologie .

"Dit vertelt het verhaal van de geboorte van ijzerhydroxide, ' zei Jun.

Als mensen spreken van "vorming, " meestal hebben ze het over een stof die groeit. Vóór de groei, echter, er moet iets zijn om te groeien. Waar komt dat eerste beetje ijzerhydroxide vandaan?

Eerst, er moeten voldoende voorloperelementen aanwezig zijn. Dan kunnen de componenten samenkomen om een ​​stabiele kern te vormen die een klein vast deeltje van ijzerhydroxide zal worden, deeltjes op nanoschaal genoemd. Het proces wordt vaste nucleatie genoemd.

De wetenschap heeft een stevige greep op de som van deze twee processen:kiemvorming en groei, samen bekend als "neerslag" - en hun som is gebruikt om het vormingsgedrag van ijzerhydroxide te voorspellen. Maar deze voorspellingen hebben grotendeels geen afzonderlijke beschouwing van kiemvorming weggelaten. De resultaten "waren niet nauwkeurig genoeg, Jun zei. "Ons werk biedt een empirische, kwantitatieve beschrijving van kiemvorming, geen rekensom, zodat we wetenschappelijk bewijs kunnen leveren over deze ontbrekende schakel."

Deze bijdrage opent veel belangrijke mogelijkheden. We kunnen de waterkwaliteit op drainagelocaties voor zure mijnen beter begrijpen, membraanvervuiling en vorming van pijpleidingen verminderen, en milieuvriendelijkere supergeleidermaterialen te ontwikkelen.

Jun was in staat om in de zwarte doos van neerslag te kijken met behulp van röntgenstralen en een nieuwe experimentele cel die ze ontwikkelde om milieurelevante complexe systemen met veel water te bestuderen. ionen en substraatmateriaal, het observeren van nucleatie in realtime.

Werken bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory in Lemont, Illinois, Jun gebruikte een röntgenverstrooiingstechniek genaamd "grazing inval kleine hoek röntgenverstrooiing." Door röntgenstralen te schijnen op een substraat met een zeer ondiepe hoek, dicht bij de kritische hoek die totale reflectie van licht mogelijk maakt, deze techniek kan de eerste verschijning van deeltjes van nanometergrootte op een oppervlak detecteren.

De aanpak is zo nieuw, Jun zei, dat wanneer ze het werk van haar lab aan nucleatie bespreekt, "Mensen denken dat we computermodellering doen. Maar nee, we onderzoeken het experimenteel op het moment dat het gebeurt, " zei ze. "Wij zijn experimentele waarnemers. Ik kan het beginpunt van nucleatie meten."

Haar empirische methode onthulde dat de algemene schattingen die wetenschappers hebben gebruikt, de hoeveelheid energie die nodig is voor kiemvorming overschatten.

"IJzerhydroxide vormt zich veel gemakkelijker op minerale oppervlakken dan wetenschappers dachten, omdat er minder energie nodig is voor kiemvorming van sterk gehydrateerde vaste stoffen op oppervlakken, ' zei Jun.

Verder, het hebben van een precieze waarde zal ook helpen bij het verbeteren van reactieve transportmodellen - de studie van de beweging van materialen door een omgeving. Bijvoorbeeld, bepaalde materialen kunnen giftige metalen vasthouden, voorkomen dat ze in de waterlopen terechtkomen. Een bijgewerkt reactief transportmodel met nauwkeurigere nucleatie-informatie zal belangrijke implicaties hebben voor waterkwaliteitsonderzoekers die werken aan het beter voorspellen en beheersen van bronnen van vervuiling. "IJzerhydroxide is de belangrijkste opslagplaats voor deze verontreinigingen, " zei Jun, "en het kennen van hun oorsprong is van cruciaal belang om hun lot te voorspellen."

Voor hightech productiefaciliteiten, een nauwkeuriger begrip hebben van hoe ijzeroxiden of -hydroxiden worden gevormd, zal de efficiëntere - minder verspillende - productie van op ijzer gebaseerde supergeleiders mogelijk maken.