(Phys.org) — Om te begrijpen hoe ondergrondse verontreinigende stoffen reageren met magnetiet en andere mineralen, wetenschappers hebben een eenvoudig te gebruiken mineraal nodig. Een internationaal team onder leiding van Pacific Northwest National Laboratory creëerde analoge deeltjes met nauwkeurig afgestemde hoeveelheden relatief reactief ijzer, of Fe(II), en minder reactief ijzer, Fe(III), om natuurlijke omstandigheden aan te passen. Het afstemmen van deze Fe(II)/Fe(III)-verhouding zorgt voor de gewenste hoeveelheid ijzerreactiviteit. Om hun proces te testen, het team creëerde kleine ijzeroxidebolletjes vergelijkbaar met magnetiet, behalve met titanium toegevoegd om de Fe(II)/Fe(III)-verhouding direct te regelen.

"Met dit nanodeeltjessysteem kunnen we het ijzer op een voorspelbare manier verfijnen en de reactiviteit systematisch bepalen, " zei dr. Carolyn Pearce, een PNNL-geochemicus die de studie leidde.

Geochemici willen weten hoe verontreinigingen, zoals technetium, interactie met de reactieve fractie van mineralen op voormalige kernwapenlocaties. Maar, om dit soort complexe problemen te ontrafelen hebben de onderzoekers goed gedefinieerde monsters nodig die ze in het laboratorium kunnen analyseren. Deze nieuwe deeltjes lijken goede studies voor deze mineralen te zijn. De deeltjes zijn ook van belang bij de ontwikkeling van op ijzer gebaseerde vloeistoffen, baanbrekende kankertherapie, medicijnafgifte, chemische sensoren, Katalytische activiteit, fotogeleidende materialen, en meer traditioneel gebruik in gegevensopslag.

"De materialen van PNNL zijn al gebruikt in bioassays van de volgende generatie voor de opname van cellulaire nanodeeltjes, "zei Pearce. "Hun vermogen om elektronen uit te wisselen met stoffen in de vloeistof die hen omringt, maakt ze ook een intrigerend vooruitzicht voor een groot aantal saneringsdoeleinden."

Het team synthetiseerde de deeltjes op een tafelblad met eenvoudige waterige chemie, maar met precieze hoeveelheden titanium gedoteerd in hun kristalstructuren, die de Fe(II)/Fe(III)-verhouding afstemt. Het team voerde en rapporteerde een uitgebreide reeks spectroscopische en microscopische onderzoeken naar deze deeltjes op alles, van hun atomaire structuur tot hun vormen en reactiviteit.

"Het maken van de deeltjes op een werkblad maakt het gemakkelijk, maar om in detail te begrijpen wat je hebt, heb je veel karakterisering en hulpmiddelen nodig, " zei Pearce. "Met de reeks instrumenten die nu beschikbaar zijn, hier in de EMSL en bij synchrotron-gebruikersfaciliteiten, we waren in staat om deze fundamentele wetenschap naar een ongekend niveau te tillen."

Na het uitvoeren van chemische basistests, het team wendde zich tot micro-röntgendiffractie op waterige suspensies van het nanodeeltje om naar de doosachtige structuur van de atomen van het deeltje te kijken. Deze diffractietechniek toonde ook aan dat het team bij kamertemperatuur alleen deeltjes tot een bepaald niveau van titanium kon synthetiseren.

Volgende, het team karakteriseerde deeltjes Mössbauer-spectroscopie en röntgenfoto-elektronspectroscopie met harde röntgenstralen, waardoor ze het interieur van de deeltjes konden onderzoeken. Ze gebruikten toen zachtere, minder invasieve röntgenstralen bij de synchrotron om details over de oppervlakken van de deeltjes te verzamelen, waar veel van de chemie plaatsvindt.

Ze gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop om de kristalliniteit en morfologie van de deeltjes te zien. Ze ontdekten dat de deeltjes over het algemeen bolvormig waren, maar met enkele kristalfacetten en een gemiddelde diameter van 10 tot 12 nanometer.

Vervolgens, het team plaatste de deeltjes in een meer verdund systeem en voerde alle tests opnieuw uit, het team een ​​voor en na blik op de deeltjes geven. De resultaten gaven het team de samenstelling, structuur, en magnetische eigenschappen van de titaniumdeeltjes, met onderscheid tussen de manier waarop de deeltjes zich binnen gedragen ten opzichte van hun oppervlakken. Ze ontdekten dat in een licht zure of protonrijke vloeistof, het Fe(II) beweegt van het binnenste van het deeltje naar het oppervlak naar de oplossing.

"Het is echt moeilijk om de ijzerbeweging in monsters te volgen, vooral in de weinige atomaire lagen nabij het oppervlak, " zei dr. Kevin Rosso, die bij PNNL de groep Geochemie leidt en aan dit onderzoek heeft gewerkt. "Maar, in dit systeem hebben we precies dat gedaan."

Door de complexe formules te bepalen die verklaren hoe de nanodeeltjes zich gedragen met verschillende niveaus van ijzer, het team neemt die gegevens nu en vergelijkt het met het gedrag van titanomagnetiet dat op de Hanford-site is gevonden. Deze vergelijkingen helpen wetenschappers beter te voorspellen hoe het natuurlijke materiaal zich gedurende duizenden jaren zal gedragen als het verschillende soorten afval tegenkomt.