Uno puede ver fácilmente a simple vista que dejar un clavo viejo bajo la lluvia causa óxido. Lo que sí requiere los ojos agudos y la nariz sensible de la microscopía y la espectroscopía es observar cómo el hierro se corroe y forma nuevos minerales. especialmente en agua con una pizca de sodio y calcio.

Gracias a una nueva técnica desarrollada por químicos de la Universidad Tecnológica de Michigan, Las etapas iniciales de este proceso se pueden estudiar en mayor detalle con el análisis de superficie. El equipo, dirigido por Kathryn Perrine, profesor asistente de química, publicó recientemente su último artículo en La Revista de Química Física A .

El principal hallazgo del grupo es que el catión en solución (iones de sodio o calcio cargados positivamente) influye en el tipo de películas de carbonato que crecen cuando se exponen al aire. que se compone de oxígeno atmosférico y dióxido de carbono. La exposición gradual de oxígeno y dióxido de carbono produce películas de carbonato específicas para el catión. Los hidróxidos de hierro de diferentes formas y morfologías no tienen una exposición gradual al aire, no específico del catión.

Una mejor comprensión de este proceso y la rapidez con que se forman los minerales abre posibilidades para monitorear la captura de dióxido de carbono, subproductos de la calidad del agua y mejora de la gestión de la infraestructura de puentes y tuberías antiguos.

Las metodologías se vuelven interdisciplinarias

Aunque el óxido y los minerales de hierro relacionados son una parte conocida de la vida en la superficie de la Tierra, los entornos en los que se forman son bastante complejos y variados. El óxido suele estar compuesto por óxidos de hierro e hidróxidos de hierro, pero la corrosión también puede conducir a la formación de carbonato de hierro y otros minerales. Para cada forma, es difícil entender las mejores condiciones para prevenirlo o hacer que crezca. Perrine señala importantes problemas ambientales como la crisis del agua de Flint como un ejemplo de cómo algo tan simple como el óxido puede convertirse fácilmente en algo más complicado. reacciones posteriores no deseadas.

"Queremos medir y descubrir reacciones químicas en entornos reales, "Perrine dijo, agregando que su equipo se enfoca específicamente en la química de superficies, las delgadas capas y películas donde el agua, el metal y el aire interactúan. "Tenemos que utilizar un alto nivel de sensibilidad [de la superficie] en nuestras herramientas de análisis para recuperar la información correcta y poder decir realmente cuál es el mecanismo de la superficie y cómo se transforma [el hierro]".

El estudio de la ciencia superficial de los materiales es intrínsecamente interdisciplinario; de la ciencia de los materiales a la geoquímica, de la ingeniería civil a la química, Perrine ve su trabajo como un puente que ayuda a otras disciplinas a informar mejor sus procesos, modelos intervenciones e innovaciones. Hacerlo requiere una gran precisión y sensibilidad en la investigación de su grupo.

Si bien existen otros métodos para monitorear la corrosión de la superficie y el crecimiento de la película, El laboratorio de Perrine utiliza un enfoque de química de superficies que podría adaptarse para analizar otros procesos de reducción y oxidación en entornos complejos. En una serie de artículos, examinaron su proceso de tres etapas:evaluaron los cambios en la composición del electrolito y usaron oxígeno y dióxido de carbono del aire como reactivo, para observar la formación en tiempo real de los diferentes minerales observados en la interfaz aire-líquido-sólido.

Las mediciones precisas son la lente molecular para ver la química

Las técnicas de análisis que utiliza el equipo son técnicas sensibles a la superficie:espectroscopia de reflexión-absorción infrarroja modulada polarizada (PM-IRRAS), espectroscopia infrarroja de reflectancia total atenuada-transformada de Fourier (ATR-FTIR), Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopía de fuerza atómica (AFM).

"La espectroscopía nos dice la química; la microscopía nos dice los cambios físicos, "Dijo Perrine." Es realmente difícil [visualizar] estos experimentos de corrosión [en tiempo real con AFM] porque la superficie cambia constantemente, y la solución cambia durante la corrosión ".

Lo que revelan las imágenes es una secuencia de picaduras, masticando y degradando la superficie, conocido como corrosión, que produce sitios de nucleación para el crecimiento de minerales. La parte clave es observar las etapas iniciales en función del tiempo.

"Podemos observar la corrosión y el crecimiento de la película en función del tiempo. La [solución] de cloruro de calcio tiende a corroer la superficie más rápido, porque tenemos más iones de cloruro, pero también tiene una tasa más rápida de formación de carbonatos, "Perrine dijo, agregando que en un video que grabó su laboratorio, es posible ver cómo la solución de cloruro de sodio corroe la superficie del hierro gradualmente y continúa formando óxido a medida que la solución se seca.

Ella agrega que dado que el hierro es omnipresente en los sistemas ambientales, ralentizar y observar de cerca la formación de minerales se reduce a ajustar las variables en cómo se transforma en diferentes soluciones y exposición al aire.

El enfoque de catálisis de superficie del equipo ayuda a los investigadores a comprender mejor la ciencia ambiental fundamental y otros tipos de procesos de superficie. La esperanza es que su método pueda ayudar a descubrir los mecanismos que contribuyen a la contaminación del agua, encontrar formas de mitigar el dióxido de carbono, prevenir colapsos de puentes e inspirar diseños más inteligentes y combustibles más limpios, así como proporcionar una visión más profunda de los procesos geoquímicos de la Tierra.