I minerali che compongono le rocce e il suolo vengono sbilanciati quando la chimica dell'ambiente circostante cambia. I cambiamenti nel pH o la concentrazione di ioni nell'acqua fanno dissolvere i minerali, crescere, o reagire in altri modi. Queste reazioni sono influenzate dalla disposizione degli atomi all'interfaccia, dove i minerali e l'acqua si toccano. Storicamente, è stato difficile studiare queste strutture mentre le reazioni sono in corso perché l'interfaccia è in continua evoluzione, limitando la nostra comprensione di come le strutture controllano la velocità di reazione.

Ora, un team guidato dal Dr. Kevin Rosso presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE ha ottenuto la prima vista 3D della struttura atomica all'interfaccia tra l'acqua e l'ematite minerale mentre si verificano le reazioni. La nuova vista ha mostrato come la struttura interfacciale sia diversa mentre reagisce, e come queste differenze potrebbero controllare il flusso di ioni nell'ambiente.

Sia che venga utilizzato per coltivare colture o sia diviso per produrre carburante a idrogeno, modellare accuratamente il comportamento dell'acqua è vitale. Questo lavoro è il primo studio sistematico delle minuscole strutture che si formano all'interfaccia tra l'acqua e l'abbondante ematite minerale ricca di ferro quando questa interfaccia è lontana dall'equilibrio. La ricerca offre approfondimenti chiave sull'interfaccia e sulle condizioni lontane dall'equilibrio che influenzano l'interfaccia.

"Queste misurazioni precise ci aiuteranno a costruire modelli migliori di reazioni vitali per la qualità delle acque sotterranee, scissione solare dell'acqua, e altro ancora, " ha detto il dottor Martin McBriarty, un geoscienziato del PNNL sul progetto.

I minerali che compongono le rocce e i terreni sono spesso in disequilibrio con l'ambiente circostante, soprattutto al variare delle condizioni ambientali. I minerali rispondono dissolvendosi, in crescita, o trasferire la carica con il loro ambiente. Questi processi sono influenzati dalla struttura su scala atomica alla loro interfaccia con l'acqua. Spesso l'unico modo per studiare queste strutture è quando l'interfaccia non cambia.

Ora, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del DOE e dell'Università di Chicago hanno ottenuto la prima vista 3D della struttura atomica all'interfaccia tra l'acqua e l'ematite minerale mentre l'ematite funge da elettrodo. Il team ha visto come gli atomi sulla superficie dell'ematite e le molecole d'acqua vicine hanno risposto a condizioni lontane dall'equilibrio causate dalla carica elettrica dell'interfaccia. Quando la superficie era caricata negativamente, alcune molecole d'acqua si sono attaccate alla superficie, mentre altre molecole d'acqua si disordinavano e si allontanavano dalla superficie.

Cosa significano questi cambiamenti strutturali? Il flusso di carica elettrica e ioni è controllato dalla struttura mentre l'interfaccia è carica, e il legame più forte delle molecole d'acqua sulla superficie potrebbe spiegare perché l'ematite si dissolve più lentamente del previsto.

L'approccio del team per risolvere queste strutture lontane dall'equilibrio potrebbe essere utilizzato per studiare altre interfacce. Questo è il primo studio sistematico della struttura da atomica a nanoscala di un'interfaccia comune acqua minerale in bilico lontano dall'equilibrio. La ricerca offre un importante passo avanti per modellare accuratamente le reazioni importanti per tutto, dalla qualità delle acque sotterranee, all'estrazione di energia dal sottosuolo, alla scissione solare dell'acqua.