Per i geologi, osservare come reagiscono i minerali in diverse condizioni può fornire una grande quantità di informazioni sulle caratteristiche dei materiali che compongono il nostro mondo. In alcuni casi, la semplice esposizione di minerali ad ambienti a base d'acqua può produrre proprietà e risultati interessanti.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), gli scienziati hanno messo piccole particelle di ossido di ferro in una soluzione acida, provocando l'ossidazione degli atomi di ferro sulla superficie delle particelle. Con il progredire della reazione, i ricercatori hanno osservato il ceppo che si accumulava e penetrava all'interno della particella minerale.

"La cosa veramente nuova di questo lavoro è che lo stiamo facendo con minerali geologici che possono avere morfologie irregolari, al contrario di particelle idealizzate con forme ben definite. È una nuova applicazione di questi strumenti per capire come avviene [l'ossidazione] nei minerali di dimensioni nanometriche, "ha detto Paul Fenter, Fisico Argonne.

La forma delle particelle controllava il grado e il tipo di deformazione, ha detto il fisico di Argonne Paul Fenter. "Quando osserviamo come reagiscono le cose, in genere non ci preoccupiamo tanto della forma o della morfologia del materiale. In questo caso, abbiamo un risultato in cui la distribuzione spaziale della reattività all'interno della particella non è uniforme, che pensiamo sia in definitiva controllato dalle sue dimensioni e forma, " Egli ha detto.

Osservando le particelle di ossido di ferro, noto anche come magnetite, Fenter e i suoi colleghi hanno osservato la formazione di ematite, una reazione che inizia sulla superficie della particella. "Essenzialmente, quello che sta succedendo è che stiamo cambiando da un tipo di ruggine a un diverso tipo di ruggine, " ha detto il ricercatore post-dottorato Ke Yuan, il primo autore dello studio.

Quando i ricercatori hanno osservato i cambiamenti nella particella causati dall'ossidazione, hanno osservato deformazioni che penetravano all'interno del materiale, così come la comparsa di difetti isolati. "Ci stiamo allontanando da una comprensione di queste reazioni come accade uniformemente in un grande ammasso di materiale verso una comprensione più sofisticata di come la forma e la morfologia delle particelle possono alterare e influenzare il modo in cui procede una reazione, " ha detto Fener.

"Anche se queste particelle sono tutte magnetite, reagiscono tutti in modi un po' diversi, e quindi questa è una sfida per capire come procedono le reazioni in sistemi in cui si hanno diverse micro e nanostrutture delle particelle, " ha aggiunto Yuan.

Per identificare le distribuzioni di deformazione nel materiale, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata imaging di diffrazione coerente (CDI), che ha permesso loro di scrutare nel reticolo atomico del materiale. Utilizzando CDI presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, gli scienziati sono stati in grado di rilevare una piccola riduzione della spaziatura del reticolo, inferiore all'uno percento, a causa dell'ossidazione del ferro. Questa piccola differenziazione nella spaziatura del reticolo era diffusa in modo non uniforme tra le particelle di ossido di ferro; i ricercatori ritengono che sia responsabile della creazione dei difetti osservati dagli scienziati.

"La capacità dell'APS di fornire raggi X coerenti e brillanti lo rende unico per questo tipo di esperimento, ", ha affermato lo scienziato della linea di luce dell'APS Wonsuk Cha. "Generando raggi X altamente penetranti con un flusso coerente sostanziale, e quindi combinandoli con strumentazione di imaging a raggi X dedicata, possiamo mappare la struttura interna e la deformazione dei materiali in 3-D con risoluzione spaziale su scala nanometrica e sensibilità atomica".

Secondo Fenter, applicando CDI al reale, materiali geochimicamente rilevanti rappresenta un balzo in avanti per la tecnica. "La cosa veramente nuova di questo lavoro è che lo stiamo facendo con minerali geologici che possono avere morfologie irregolari, al contrario di particelle idealizzate con forme ben definite, " ha detto. "Si tratta di una nuova applicazione di questi strumenti per capire come avviene questo comportamento nei minerali di dimensioni nanometriche".

"È un buon sistema modello per i sistemi naturali, Yuan ha aggiunto. "Ci dà un buon modo per capire la reattività dei sistemi naturali complessi".

Fenter ha spiegato che i risultati potrebbero avere una rilevanza più ampia per la comunità delle geoscienze. Studi futuri che esaminano come gli ioni si legano alla superficie di un minerale potrebbero essere influenzati dalla deformazione, anche quando quel ceppo ha origine dall'interno del materiale, Egli ha detto.

Un articolo basato sullo studio, "Sforzo e difetti indotti dall'ossidazione nei cristalli di magnetite, " apparso nel numero dell'11 febbraio di Comunicazioni sulla natura .