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    Estrés y esfuerzo:los geoquímicos responden a la pregunta fundamental de las reacciones minerales

    Los investigadores de Argonne utilizaron imágenes de difracción de rayos X coherentes para observar la tensión dentro de una nanopartícula de hierro a medida que se oxidaba. Esta imagen muestra la nanopartícula oxidando gradualmente. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne

    Para los geocientíficos, observar cómo reaccionan los minerales en diferentes condiciones puede proporcionar una gran cantidad de información sobre las características de los materiales que componen nuestro mundo. En algunos casos, la mera exposición de minerales a entornos a base de agua puede producir propiedades y resultados interesantes.

    En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los científicos colocaron pequeñas partículas de óxido de hierro en una solución ácida, provocando la oxidación de los átomos de hierro en la superficie de las partículas. A medida que avanzaba la reacción, los investigadores observaron la tensión que se acumulaba y penetraba dentro de la partícula mineral.

    "Lo realmente novedoso de este trabajo es que lo estamos haciendo con minerales geológicos que pueden tener morfologías irregulares, a diferencia de las partículas idealizadas con formas bien definidas. Es una nueva aplicación de estas herramientas para comprender cómo ocurre la [oxidación] en minerales de tamaño nanométrico, "dijo Paul Fenter, Físico de Argonne.

    La forma de las partículas controlaba el grado y tipo de deformación, dijo el físico de Argonne Paul Fenter. "Cuando miramos cómo reaccionan las cosas, normalmente no nos preocupamos tanto por la forma o morfología del material. En este caso, tenemos un resultado en el que la distribución espacial de la reactividad dentro de la partícula no es uniforme, que creemos que en última instancia está controlado por su tamaño y forma, " él dijo.

    Al mirar las partículas de óxido de hierro, también conocido como magnetita, Fenter y sus colegas observaron la formación de hematita, una reacción que comienza en la superficie de la partícula. "Esencialmente, lo que está sucediendo es que estamos cambiando de un tipo de óxido a un tipo diferente de óxido, "dijo el investigador postdoctoral Ke Yuan, el primer autor del estudio.

    Cuando los investigadores observaron los cambios en la partícula causados ​​por la oxidación, observaron tensión que penetró dentro del material, así como la aparición de defectos aislados. "Nos estamos alejando de la comprensión de que estas reacciones ocurren de manera uniforme en un gran grupo de material hacia una comprensión más sofisticada de cómo la forma y la morfología de las partículas pueden alterar e influir en cómo procede una reacción, "Dijo Fenter.

    "Aunque todas estas partículas son magnetita, todos reaccionan de formas algo diferentes, por lo que este es un desafío para comprender cómo se desarrollan las reacciones en sistemas en los que existen diferentes micro y nanoestructuras de partículas, "Añadió Yuan.

    Para identificar las distribuciones de deformaciones en el material, los investigadores utilizaron una técnica llamada imágenes de difracción coherente (CDI), lo que les permitió mirar dentro de la red atómica del material. Usando CDI en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, los científicos pudieron detectar una pequeña reducción en el espaciado de la red (menos del uno por ciento) como resultado de la oxidación del hierro. Esta pequeña diferenciación en el espaciado de la red se distribuyó de manera desigual a lo largo de las partículas de óxido de hierro; los investigadores creen que es responsable de crear los defectos que observaron los científicos.

    "La capacidad del APS para proporcionar rayos X brillantes y coherentes lo hace único para este tipo de experimento, ", dijo el científico de la línea de luz de APS Wonsuk Cha." Al generar rayos X de alta penetración con un flujo coherente sustancial, y luego combinándolos con instrumentación de imágenes de rayos X dedicada, podemos mapear la estructura interna y la tensión en materiales en 3-D con resolución espacial a nanoescala y sensibilidad atómica ".

    Según Fenter, aplicando CDI a real, Los materiales geoquímicamente relevantes representan un salto adelante para la técnica. "Lo realmente novedoso de este trabajo es que lo estamos haciendo con minerales geológicos que pueden tener morfologías irregulares, a diferencia de las partículas idealizadas con formas bien definidas, ", dijo." Es una nueva aplicación de estas herramientas para comprender cómo ocurre este comportamiento en minerales de tamaño nanométrico ".

    "Es un buen sistema modelo para sistemas naturales, Yuan añadió. "Nos da una buena forma de comprender la reactividad de los sistemas naturales complejos".

    Fenter explicó que los hallazgos podrían tener una relevancia más amplia para la comunidad de las geociencias. Los estudios futuros que analicen cómo los iones se unen a la superficie de un mineral podrían verse afectados por la tensión, incluso cuando esa deformación se origina en el interior del material, él dijo.

    Un artículo basado en el estudio, "Deformaciones y deformaciones inducidas por oxidación en los cristales de magnetita, "apareció en la edición del 11 de febrero de Comunicaciones de la naturaleza .


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