Dalle splendide tonalità rosse del Grand Canyon alla banale ruggine che attacca una bicicletta trascurata, gli idrossidi di ferro sono tutt'intorno a noi. Infatti, sono comuni come il quarzo, che è il minerale più diffuso sul pianeta.

Gli scienziati sanno che gli idrossidi di ferro possono catturare metalli pesanti e altri materiali tossici, e che anche gli ossidi di ferro possono essere semiconduttori naturali. Sebbene queste proprietà suggeriscano molte applicazioni, i dettagli completi di come si formano gli idrossidi di ferro su un substrato di quarzo sono stati nascosti in una sorta di "scatola nera", fino ad ora.

Young-Shin Jun, un professore di energia, ingegneria ambientale e chimica presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, ha escogitato un modo per aprire quella scatola e osservare il momento in cui l'idrossido di ferro si forma sul quarzo.

La sua ricerca è stata pubblicata in Scienze e tecnologie ambientali .

"Questo sta raccontando la storia della nascita dell'idrossido di ferro, " ha detto Jun.

Quando si parla di "formazione, " in genere parlano di una sostanza che cresce. Prima della crescita, però, ci deve essere qualcosa per crescere. Da dove viene quel primo pezzo di idrossido di ferro?

Primo, devono essere presenti elementi precursori sufficienti. Quindi i componenti possono unirsi per formare un nucleo stabile che diventerà una minuscola particella solida di idrossido di ferro, chiamato particolato su scala nanometrica. Il processo è chiamato nucleazione solida.

La scienza ha una salda presa sulla somma di questi due processi:nucleazione e crescita, insieme noti come "precipitazioni" e la loro somma è stata utilizzata per prevedere il comportamento di formazione dell'idrossido di ferro. Ma queste previsioni hanno in gran parte omesso una considerazione separata della nucleazione. I risultati "non erano abbastanza accurati, " Jun ha detto. "Il nostro lavoro fornisce un empirico, descrizione quantitativa della nucleazione, non un calcolo, così possiamo fornire prove scientifiche su questo anello mancante".

Questo contributo apre molte importanti possibilità. Possiamo capire meglio la qualità dell'acqua nei siti di drenaggio delle miniere acide, ridurre l'incrostazione della membrana e la formazione di incrostazioni nelle tubazioni, e sviluppare materiali superconduttori più rispettosi dell'ambiente.

Jun è stata in grado di guardare all'interno della scatola nera delle precipitazioni utilizzando i raggi X e una nuova cella sperimentale che ha sviluppato per studiare sistemi complessi rilevanti per l'ambiente con molta acqua, ioni e materiale del substrato, osservando la nucleazione in tempo reale.

Lavorando presso l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory a Lemont, Illinois, Jun ha impiegato una tecnica di diffusione dei raggi X chiamata "diffusione di raggi X ad incidenza radente a piccolo angolo". Puntando i raggi X su un substrato con un angolo molto basso, vicino all'angolo critico che consente la riflessione totale della luce, questa tecnica può rilevare la prima comparsa di particelle di dimensioni nanometriche su una superficie.

L'approccio è così nuovo, giugno ha detto, che quando discute del lavoro del suo laboratorio sulla nucleazione, "La gente pensa che stiamo facendo modelli al computer. Ma no, lo stiamo esaminando sperimentalmente nel momento in cui accade, " ha detto. "Siamo osservatori sperimentali. Posso misurare il punto iniziale di nucleazione."

Il suo metodo empirico ha rivelato che le stime generali che gli scienziati hanno utilizzato sopravvalutano la quantità di energia necessaria per la nucleazione.

"L'idrossido di ferro si forma molto più facilmente sulle superfici minerali di quanto pensassero gli scienziati, perché è necessaria meno energia per la nucleazione di solidi altamente idratati sulle superfici, " ha detto Jun.

Per di più, avere un valore preciso aiuterà anche a migliorare i modelli di trasporto reattivi, lo studio del movimento dei materiali attraverso un ambiente. Ad esempio, alcuni materiali possono sequestrare metalli tossici, impedendo loro di entrare nei corsi d'acqua. Un modello di trasporto reattivo aggiornato con informazioni sulla nucleazione più accurate avrà implicazioni significative per i ricercatori sulla qualità dell'acqua che lavorano per prevedere e controllare meglio le fonti di inquinamento. "L'idrossido di ferro è il principale deposito di sequestro di questi contaminanti, "Giun ha detto, "e conoscere la loro origine è fondamentale per predire il loro destino".

Per gli impianti di produzione ad alta tecnologia, avere una comprensione più precisa di come si formano gli ossidi o gli idrossidi di ferro consentirà una produzione più efficiente e meno dispendiosa di superconduttori a base di ferro.