Per comprendere i vari processi ambientali e imparare ad affrontare meglio gli effetti dell'inquinamento, gli scienziati sono stati interessati a tracciare il movimento degli elementi attraverso l'ambiente, in particolare alle interfacce tra acqua e minerali.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in collaborazione con l'Università dell'Illinois e di Chicago e l'Università del Delaware, i chimici hanno potuto osservare l'interfaccia tra l'acqua e la mica muscovite, un minerale piatto che si trova comunemente nel granito, suoli e molti sedimenti. In particolare, i ricercatori hanno esaminato la cattura e il rilascio di rubidio, un metallo strettamente correlato ma più facilmente individuabile rispetto a elementi comuni come potassio e sodio.

Nell'esperimento, i ricercatori hanno fatto scorrere una soluzione contenente rubidio sulla mica, che ha fatto sì che gli atomi di rubidio sostituissero il potassio che si trova naturalmente vicino alla superficie della mica. Quindi la soluzione di rubidio è stata sostituita con una contenente sodio, che a sua volta ha sostituito gli atomi di rubidio.

Secondo il chimico di Argonne Sang Soo Lee, che ha condotto lo studio, la dinamica del trasporto ionico era ampiamente controllata dalle proprietà elettrostatiche all'interfaccia tra la mica e l'acqua. Essenzialmente, gli atomi di rubidio "si aggrappavano" alla superficie della mica in modo simile a come la lanugine si aggrappa ai vestiti. La forza del comportamento di adesione è stata determinata principalmente da quante molecole d'acqua c'erano tra la superficie della mica e il rubidio - meno molecole d'acqua, più stretto è l'attaccamento.

Lee e il suo collega Argonne, chimico Paul Fenter, utilizzato la sorgente di fotoni avanzati di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, osservare l'attività del rubidio utilizzando una tecnica chiamata riflettività anomala dei raggi X risonante. Questa tecnica consente agli scienziati di sondare la posizione di un singolo elemento in corrispondenza di un'interfaccia.

"Essenzialmente, è come cercare un cardellino su un albero, e usando una tecnica che ti mostra solo dove sono le cose gialle, " ha detto Fener.

Utilizzando la tecnica, i ricercatori sono stati in grado di condensare il lasso di tempo necessario per misurare il segnale dai dati. "Normalmente questi dati richiedono ore per essere misurati, ma ora possiamo avere una risoluzione temporale di uno o due secondi, " ha detto Fener.

Avere un'immagine delle dinamiche in tempo reale di questo tipo di interfacce offre agli scienziati una nuova visione di come gli ioni percepiscono le superfici dal punto di vista energetico. "Se pensi ai nostri esperimenti come guardare gli aerei in un aeroporto, quindi in precedenza potevamo solo sapere quanti Boeing o Cessna c'erano, " disse Lee. "Ora, abbiamo un modo per vedere gli aerei decollare e atterrare".

Un documento basato sulla ricerca, "Osservazioni in tempo reale della cinetica e della dinamica dello scambio cationico all'interfaccia muscovite-acqua, " è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 9 giugno.