Si può facilmente vedere ad occhio nudo che lasciare un vecchio chiodo sotto la pioggia provoca la ruggine. Ciò che richiede gli occhi acuti e il naso sensibile della microscopia e della spettroscopia è osservare come il ferro si corrode e forma nuovi minerali, soprattutto in acqua con un pizzico di sodio e calcio.

Grazie a una nuova tecnica sviluppata dai chimici della Michigan Technological University, le fasi iniziali di questo processo possono essere studiate in maggior dettaglio con l'analisi della superficie. Il gruppo, guidata da Kathryn Perrine, professore assistente di chimica, hanno recentemente pubblicato il loro ultimo articolo in Il giornale di chimica fisica A .

La scoperta principale del gruppo è che il catione in soluzione - ioni sodio o calcio caricati positivamente - influenza il tipo di film di carbonato cresciuto quando esposto all'aria, che è composto da ossigeno atmosferico e anidride carbonica. L'esposizione graduale di ossigeno e anidride carbonica produce film di carbonato specifici del catione. Gli idrossidi di ferro di diverse forme e morfologie sono privi di graduale esposizione all'aria, non specifico del catione.

Una migliore comprensione di questo processo e della velocità con cui si formano i minerali apre possibilità di monitoraggio della cattura dell'anidride carbonica, sottoprodotti della qualità dell'acqua e miglioramento della gestione delle infrastrutture per i vecchi ponti e tubazioni.

Le metodologie diventano interdisciplinari

Anche se la ruggine e i relativi minerali di ferro sono una parte ben nota della vita sulla superficie terrestre, gli ambienti in cui si formano sono piuttosto complessi e vari. La ruggine è solitamente composta da ossidi di ferro e idrossidi di ferro, ma la corrosione può anche portare alla formazione di carbonato di ferro e altri minerali. Per ogni modulo, è difficile capire le condizioni migliori per prevenirlo o coltivarlo. Perrine indica le principali questioni ambientali come la crisi idrica di Flint come esempio di come qualcosa di semplice come la ruggine possa facilmente scivolare in cose più complicate, reazioni successive indesiderate.

"Vogliamo misurare e scoprire reazioni chimiche in ambienti reali, "Perrina ha detto, aggiungendo che il suo team si concentra specificamente sulla chimica di superficie, gli strati sottili e le pellicole dove l'acqua, metallo e aria interagiscono. "Dobbiamo utilizzare un alto livello di sensibilità [di superficie] nei nostri strumenti di analisi per ottenere le informazioni corrette in modo che possiamo davvero dire qual è il meccanismo di superficie e come si trasforma [il ferro]".

Lo studio della scienza della superficie dei materiali è intrinsecamente interdisciplinare; dalla scienza dei materiali alla geochimica, dall'ingegneria civile alla chimica, Perrine vede il suo lavoro come un ponte che aiuta le altre discipline a informare meglio i loro processi, Modelli, interventi e innovazioni. Per farlo richiede alta precisione e sensibilità nella ricerca del suo gruppo.

Sebbene esistano altri metodi per monitorare la corrosione superficiale e la crescita del film, Il laboratorio di Perrine utilizza un approccio di chimica di superficie che potrebbe essere adattato per analizzare altri processi di riduzione e ossidazione in ambienti complessi. In una serie di documenti, hanno controllato il loro processo in tre fasi:valutando i cambiamenti nella composizione dell'elettrolita e usando ossigeno e anidride carbonica dall'aria come reagenti, osservare la formazione in tempo reale dei diversi minerali osservati all'interfaccia aria-liquido-solido.

Le misurazioni precise sono la lente molecolare per vedere la chimica

Le tecniche di analisi utilizzate dal team sono tecniche sensibili alla superficie:spettroscopia di riflessione-assorbimento a infrarossi modulati polarizzati (PM-IRRAS), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (ATR-FTIR) attenuata, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e microscopia a forza atomica (AFM).

"La spettroscopia ci dice la chimica; la microscopia ci dice i cambiamenti fisici, " Ha detto Perrine. "È davvero difficile [immaginare] questi esperimenti di corrosione [in tempo reale con AFM] perché la superficie è in continua evoluzione, e la soluzione cambia durante la corrosione."

Ciò che le immagini rivelano è una sequenza di pitting, masticando e degradando la superficie, noto come corrosione, che produce siti di nucleazione per la crescita dei minerali. La parte fondamentale è guardare le fasi iniziali in funzione del tempo.

"Possiamo osservare la corrosione e la crescita del film in funzione del tempo. Il cloruro di calcio [soluzione] tende a corrodere la superficie più velocemente, perché abbiamo più ioni cloruro, ma ha anche un tasso più veloce di formazione di carbonati, "Perrina ha detto, aggiungendo che in un video registrato dal suo laboratorio, è possibile vedere come la soluzione di cloruro di sodio corrode gradualmente la superficie del ferro e continua a formare ruggine man mano che la soluzione si asciuga.

Aggiunge che poiché il ferro è onnipresente nei sistemi ambientali, rallentare e osservare da vicino la formazione dei minerali si riduce a regolare le variabili nel modo in cui si trasforma in diverse soluzioni e nell'esposizione all'aria.

L'approccio della catalisi superficiale del team aiuta i ricercatori a comprendere meglio le scienze ambientali fondamentali e altri tipi di processi superficiali. La speranza è che il loro metodo possa aiutare a scoprire i meccanismi che contribuiscono all'inquinamento dell'acqua, trovare modi per ridurre l'anidride carbonica, prevenire il crollo dei ponti e ispirare progetti più intelligenti e combustibili più puliti, oltre a fornire una visione più approfondita dei processi geochimici della Terra.