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  • Le particelle di design sostituiscono gli strati di minerali del sottosuolo

    La messa a punto delle particelle non comporta l'aggiunta di più ferro, ma piuttosto, costringendo il ferro nelle particelle a diventare reattivo o passivo. Qui, immagini microscopiche di particelle di ferro e test approfonditi dimostrano che il ferro passivo sta diventando reattivo, piuttosto che aggiungere altro ferro.

    (Phys.org)—Per capire come reagiscono gli inquinanti sotterranei con la magnetite e altri minerali, gli scienziati hanno bisogno di un minerale sostitutivo facile da usare. Un team internazionale guidato dal Pacific Northwest National Laboratory ha creato particelle analoghe con quantità calibrate con precisione di ferro relativamente reattivo, o Fe(II), e ferro meno reattivo, Fe(III), per adattarsi alle condizioni naturali. La regolazione di questo rapporto Fe(II)/Fe(III) compone la quantità desiderata di reattività del ferro. Per testare il loro processo, il team ha creato minuscole sfere di ossido di ferro simili alla magnetite, tranne con aggiunta di titanio per controllare direttamente il rapporto Fe(II)/Fe(III).

    "Questo sistema di nanoparticelle ci consente di mettere a punto il ferro in modo prevedibile e di determinare sistematicamente la reattività, " ha detto la dottoressa Carolyn Pearce, un geochimico del PNNL che ha guidato lo studio.

    I geochimici vogliono sapere come i contaminanti, come il tecnezio, interagiscono con la frazione reattiva dei minerali negli ex siti di armi nucleari. Ma, per svelare questo tipo di problemi complessi i ricercatori hanno bisogno di campioni ben definiti che possono analizzare in laboratorio. Queste nuove particelle sembrano essere dei buoni sostituti per questi minerali. Le particelle sono anche di interesse per lo sviluppo di fluidi a base di ferro, pionieristica terapia del cancro, consegna farmaci, sensori chimici, attività catalitica, materiali fotoconduttori, e usi più tradizionali nella memorizzazione dei dati.

    "I materiali del PNNL sono già stati utilizzati in saggi biologici di nuova generazione per l'assorbimento di nanoparticelle cellulari, " ha detto Pearce. "La loro capacità di scambiare elettroni con sostanze nel liquido che li circonda li rende una prospettiva intrigante anche per una serie di usi di riparazione".

    Quando posto in un diluito, liquido leggermente acido, il ferro reattivo nelle particelle si sposta in superficie e poi fuori nell'ambiente, dove reagisce.

    Il team ha sintetizzato le particelle su un banco con una semplice chimica acquosa ma contenente quantità precise di titanio drogato nelle loro strutture cristalline, che regola il rapporto Fe(II)/Fe(III). Il team ha eseguito e riportato una serie completa di studi spettroscopici e microscopici su queste particelle su qualsiasi cosa, dalla loro struttura atomica alle loro forme e reattività.

    "Creare le particelle su un bancone lo rende facile, ma capire ciò che hai in dettaglio richiede molte caratterizzazioni e strumenti, " disse Pearce. "Con la suite di strumenti ora disponibile, qui nell'EMSL e nelle strutture per gli utenti di sincrotrone, siamo stati in grado di spingere questa scienza fondamentale a un livello senza precedenti".

    Dopo aver eseguito i test chimici di base, il team si è rivolto alla diffrazione di raggi X micro su sospensioni acquose della nanoparticella per osservare la struttura a scatola degli atomi della particella. Questa tecnica di diffrazione ha anche mostrato che il team poteva sintetizzare solo particelle fino a un certo livello di titanio a temperatura ambiente.

    Prossimo, il team ha caratterizzato la spettroscopia Mössbauer delle particelle e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X con raggi X duri, che ha permesso loro di esaminare l'interno delle particelle. Hanno poi usato più morbido, raggi X meno invasivi al sincrotrone per raccogliere dettagli sulle superfici delle particelle, dove si svolge gran parte della chimica.

    Hanno usato un microscopio elettronico a trasmissione per vedere la cristallinità e la morfologia delle particelle. Hanno scoperto che le particelle erano generalmente sferiche ma con alcune sfaccettature cristalline e un diametro medio di 10-12 nanometri.

    Quindi, il team ha messo le particelle in un sistema più diluito e ha ripetuto tutti i test, dando alla squadra uno sguardo prima e dopo alle particelle. I risultati hanno fornito al team la composizione, struttura, e proprietà magnetiche delle particelle di titanomagnetite, con distinzioni tra il modo in cui le particelle si comportano all'interno rispetto alle loro superfici. Hanno scoperto che in un liquido leggermente acido o ricco di protoni, il Fe(II) si sposta dall'interno della particella alla superficie fino alla soluzione.

    "È davvero difficile tracciare il movimento del ferro nei campioni, in particolare nei pochi strati atomici vicino alla superficie, " ha detto il dottor Kevin Rosso, che guida il gruppo di Geochimica al PNNL e ha lavorato a questo studio. "Ma, in questo sistema abbiamo fatto proprio questo."

    Determinando le complesse formule che spiegano come si comportano le nanoparticelle con diversi livelli di ferro, il team sta ora prendendo quei dati e confrontandoli con il comportamento della titanomagnetite trovata nel sito di Hanford. Questi confronti stanno aiutando gli scienziati a prevedere meglio come si comporterà il materiale naturale quando incontrerà diversi tipi di rifiuti nel corso di migliaia di anni.


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