I metodi per migliorare la purificazione dell'acqua o costruire batterie migliori sono problemi che hanno sfidato gli scienziati per decenni. I progressi sono andati avanti, ma l'aumento della domanda sposta il traguardo sempre più lontano.

Allo stesso tempo, le reazioni chimiche che rendono possibili questi miglioramenti avvengono a scale invisibili ad occhio nudo (la scala atomica) dove si incontrano liquidi e superfici solide, rendendo il lavoro ancora più difficile.

Sapere come avvengono queste interazioni chimiche all'interfaccia solido-liquido è fondamentale in problemi di grande interesse per il Dipartimento dell'Energia (DOE), in particolare per quanto riguarda le questioni ambientali e di qualità dell'acqua che possono essere influenzate da attività di produzione di energia su larga scala.

Ora, una nuova tecnica sviluppata da un team che include il Prof. Neil Sturchio dell'Università del Delaware e colleghi dell'Argonne National Laboratory e dell'Università dell'Illinois a Chicago ha prodotto osservazioni in tempo reale che documentano le reazioni chimiche che avvengono tra liquidi e solidi.

La tecnica fornisce dati che possono essere utilizzati per migliorare le previsioni su come i nutrienti e i contaminanti si sposteranno nei sistemi naturali o per misurare l'efficacia dei metodi di purificazione dell'acqua in cui lo scambio ionico è fondamentale per la sanificazione.

Può anche aiutare gli scienziati a individuare i fattori limitanti dei supercondensatori:robusti dispositivi di accumulo di energia che vengono spesso utilizzati su batterie comuni per alimentare l'elettronica di consumo, veicoli ibridi, anche grande potenza su scala industriale.

Scambio energetico nelle reazioni chimiche

Sturchio, un geochimico, ha studiato le interazioni minerale/acqua per 25 anni con il finanziamento del DOE. Lui e i suoi collaboratori hanno recentemente dimostrato un nuovo modo di studiare la struttura microscopica e i processi che si verificano quando i minerali e l'acqua si incontrano, utilizzando i raggi X per innescare le reazioni catturando le immagini dei loro effetti sulla superficie minerale.

Ora utilizzando un metodo chiamato Riflessione a raggi X anomala risonante (RAXR), i ricercatori sono in grado di fare un passo avanti e distinguere l'identità dell'elemento studiato.

"Con i nostri metodi precedenti, potevamo vedere il profilo di densità elettronica su scala atomica della regione interfacciale, una zona spessa nanometri che include la superficie minerale e la soluzione adiacente, ma non potevamo identificare in modo univoco gli strati atomici, " disse Sturchio, professore e presidente del Dipartimento di Scienze Geologiche del College of Earth dell'UD, Oceano, e Ambiente.

La tecnica richiede un cristallo di alta qualità, quindi i ricercatori hanno selezionato mica, un minerale simile nella struttura agli abbondanti minerali argillosi nei suoli che produce un cristallo atomicamente piatto utile nelle indagini di laboratorio delle proprietà interfacciali.

I ricercatori hanno riflesso un intenso raggio di raggi X da un campione di mica in contatto alternato con due diverse soluzioni saline contenenti rubidio e cloruro di sodio. Modificando l'angolo del raggio, gli scienziati sono stati in grado di scansionare il profilo interfacciale su scala atomica. Modificando l'energia del raggio ad un angolo fisso, potrebbero isolare la distribuzione degli ioni rubidio nella regione interfacciale.

"In questo caso, possiamo sintonizzarci e chiedere nello specifico dov'è il rubidio? Come è attaccato al cristallo di mica e come viene rilasciato nella soluzione?" ha detto.

Secondo Sturchio, la maggior parte delle reazioni chimiche nelle acque sotterranee e nell'atmosfera, così come durante i processi industriali tra cui la purificazione dell'acqua e alcune forme di accumulo di energia, accadere su superfici come elettrodi o particelle. Quando avviene una reazione chimica, gli ioni vengono lanciati o attirati e l'energia viene scambiata. Comprendere quantitativamente come gli ioni vengono scambiati su questa scala può essere utilizzato per progettare processi chimici per migliorare la purificazione dell'acqua o capire come vengono trasportati i contaminanti nel suolo e nelle acque sotterranee.

In questo progetto, i ricercatori volevano vedere cosa ci sarebbe voluto per ottenere il rubidio, un metallo alcalino, per staccarsi dalla superficie della mica una volta fissata. Hanno raggiunto questo obiettivo cambiando rapidamente la soluzione che scorre sul cristallo di mica da cloruro di rubidio a cloruro di sodio più concentrato, quindi cronometrato la reazione per determinare il tempo impiegato dagli ioni rubidio per il rilascio (desorbimento) dalla mica e per gli ioni cloruro di sodio per prendere il loro posto (adsorbimento).

In genere, si pensa che le reazioni di adsorbimento avvengano in millisecondi, ma qui ci sono voluti 25 secondi perché il rubidio si liberasse dalla superficie (desorbimento) e gli ioni sodio prendessero il suo posto (adsorbimento).

Più il rubidio era vicino all'interfaccia minerale/acqua, più la sua posizione diventava fissa (a causa dell'energia elettrostatica, del tipo che fa attaccare un palloncino al muro dopo averlo strofinato contro un maglione) e più energia era necessaria per staccarlo dalla mica. Al contrario, più molecole d'acqua si trovano tra la superficie del cristallo e lo ione rubidio, più spazio di manovra aveva il rubidio nella sua posizione e meno energia ci voleva per staccarsi. Gli esperimenti hanno aiutato a quantificare le minuscole quantità di energia trasferite durante lo scambio di ioni alcalini a questa interfaccia, e il coinvolgimento delle molecole d'acqua nel meccanismo di reazione.

La reazione è stata più lenta di quanto previsto dai ricercatori, e mentre sono necessari ulteriori studi, concordano sul fatto che i risultati forniscano prove per comprendere i tempi necessari affinché si verifichino le reazioni desiderate.

Al contrario, quando le soluzioni sono state invertite, il rubidio si è adsorbito sulla superficie della mica molto più rapidamente di quanto non sia stato desorbito, spargendo le sue molecole d'acqua attaccate, dimostrando che l'idratazione è importante per la reazione.

"Per progettare un processo industriale è necessario sapere esattamente cosa sta succedendo in superficie, — disse Sturchio. — Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che qualcuno ha documentato informazioni così dettagliate su come queste reazioni di scambio ionico si verificano su una superficie minerale a contatto con l'acqua, e in questo caso, abbiamo buone prove per quanto tempo ci vuole effettivamente."