Come il ferro che scorre nel flusso sanguigno, i minerali di ferro scorrono nel terreno. Questi minerali sono usati per produrre acciaio e altre leghe metalliche utilizzate in qualsiasi cosa, dai componenti dei telefoni cellulari e delle automobili agli edifici, attrezzature e infrastrutture industriali.

Sfortunatamente, se esposto all'ossigeno e all'umidità, il ferro si ossida o arrugginisce. E la ruggine è implacabile.

Sapere di più sulle reazioni chimiche che guidano e sostengono la ruggine potrebbe contenere indizi per un miglioramento dell'ingegneria, materiali a base di ferro. Potrebbe anche portare a progressi nei fertilizzanti o negli ammendanti del suolo che aumentano l'assorbimento di ferro per la nutrizione delle piante.

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy riportano sulla rivista PNAS una svolta nella visualizzazione della reattività dei minerali della ruggine quando privati ​​dell'ossigeno, come quelli al di sotto della superficie del suolo. Utilizzando isotopi di ferro e tomografia con sonda atomica, o APT, hanno tracciato queste reazioni di ossidoriduzione per creare le prime "mappe atomiche" 3-D della riorganizzazione di diversi atomi di ferro in un piccolo cristallo di ossido di ferro.

Le mappe APT hanno rivelato un ciclo del ferro sorprendentemente dinamico, che mostra il continuo movimento del ferro dentro e fuori le superfici minerali.

"Abbiamo visto che gli atomi di ferro nell'acqua sono stati specificamente cercati e riempiti in piccole buche, o difetti, nelle superfici di cristallo, "ha detto Sandra Taylor, un associato di ricerca post-dottorato nel gruppo di geochimica del PNNL che ha condotto le misurazioni. "Vedere queste regioni ricristallizzate su scala atomica ci ha mostrato che la reazione può "guarire" efficacemente le aree danneggiate sulla superficie del cristallo, e la crescita è guidata dalla perfezione."

Kevin Rosso, un borsista di laboratorio PNNL e investigatore principale per lo studio, afferma che i risultati confermano che le reazioni con i minerali della ruggine nei terreni e nei prodotti di corrosione dell'acciaio sono più dinamiche di quanto normalmente si pensa. Illustrano come la ruggine persista sui tubi metallici in condizioni chimiche mutevoli, permettendogli di corrodersi e deteriorarsi continuamente nel tempo.

La scoperta ha coronato uno sforzo durato anni per acquisire misurazioni e immagini della composizione chimica su scala atomica in 3-D utilizzando l'APT. Questa tecnica sofisticata e impegnativa richiede una grande abilità per sondare con successo le superfici degli ossidi di ferro delle nanoparticelle. La sonda atomica si trova nel Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE al PNNL.

"Questo studio stabilisce un nuovo precedente per caratterizzare questa importante interfaccia redox, " disse Rosso, aggiungendo che i risultati possono essere utilizzati per comprendere meglio un'ampia gamma di processi. Questi includono la comprensione di come i cristalli crescono e si dissolvono, e anche le cause alla base della corrosione e come crea ruggine sulle superfici, ruggine che non dorme mai.