Ajustar las partículas no implica agregar más hierro, sino más bien, obligando al hierro en las partículas a volverse reactivo o pasivo. Aquí, Imágenes microscópicas de partículas de hierro y pruebas exhaustivas demuestran que el hierro pasivo se está volviendo reactivo, en lugar de agregar más hierro.
(Phys.org) —Para comprender cómo reaccionan los contaminantes subterráneos con la magnetita y otros minerales, los científicos necesitan un sustituto mineral fácil de usar. Un equipo internacional dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico creó partículas análogas con cantidades ajustadas con precisión de hierro relativamente reactivo, o Fe (II), y hierro menos reactivo, Fe (III), para adaptarse a las condiciones naturales. Al ajustar esta relación Fe (II) / Fe (III) se marca la cantidad deseada de reactividad de hierro. Para probar su proceso, el equipo creó pequeñas esferas de óxido de hierro similares a la magnetita, excepto con titanio añadido para controlar directamente la relación Fe (II) / Fe (III).
"Este sistema de nanopartículas nos permite ajustar el hierro de una manera predecible y determinar la reactividad de forma sistemática, "dijo la Dra. Carolyn Pearce, un geoquímico de la PNNL que dirigió el estudio.
Los geoquímicos quieren saber cómo los contaminantes, como el tecnecio, interactuar con la fracción reactiva de minerales en antiguos emplazamientos de armas nucleares. Pero, para desentrañar este tipo de problemas complejos, los investigadores necesitan muestras bien definidas que puedan analizar en el laboratorio. Estas nuevas partículas parecen ser buenos aprendices de estos minerales. Las partículas también son de interés en el desarrollo de fluidos a base de hierro, terapia pionera contra el cáncer, entrega de medicamentos, sensores químicos, actividad catalítica, materiales fotoconductores, y usos más tradicionales en el almacenamiento de datos.
"Los materiales de PNNL ya se han utilizado en bioensayos de próxima generación para la captación de nanopartículas celulares, ", dijo Pearce." Su capacidad para intercambiar electrones con sustancias en el líquido que los rodea los convierte también en una perspectiva intrigante para una serie de usos de remediación ".
Cuando se coloca en un diluido, líquido ligeramente ácido, el hierro reactivo en las partículas se mueve a la superficie y luego al medio ambiente, donde reacciona.
El equipo sintetizó las partículas en una mesa con una química acuosa simple pero que contenía cantidades precisas de titanio dopado en sus estructuras cristalinas. que sintoniza la relación Fe (II) / Fe (III). El equipo realizó e informó sobre un conjunto completo de estudios espectroscópicos y microscópicos sobre estas partículas en todo, desde su estructura atómica hasta sus formas y reactividad.
"Crear las partículas en una mesa lo hace fácil, pero entender lo que tienes en detalle requiere mucha caracterización y herramientas, "dijo Pearce." Con el conjunto de instrumentos ahora disponible, aquí en el EMSL y en las instalaciones del usuario del sincrotrón, pudimos llevar esta ciencia fundamental a un nivel sin precedentes ".
Después de realizar pruebas químicas básicas, El equipo recurrió a la difracción de micro-rayos X en suspensiones acuosas de la nanopartícula para observar la estructura en forma de caja de los átomos de la partícula. Esta técnica de difracción también mostró que el equipo solo podía sintetizar partículas hasta un cierto nivel de titanio a temperatura ambiente.
Próximo, el equipo caracterizó la espectroscopia de partículas Mössbauer y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X con rayos X duros, lo que les permitió examinar el interior de las partículas. Luego usaron más suave, Rayos X menos invasivos en el sincrotrón para obtener detalles sobre las superficies de las partículas, donde tiene lugar gran parte de la química.
Utilizaron un microscopio electrónico de transmisión para ver la cristalinidad y morfología de las partículas. Descubrieron que las partículas eran generalmente esféricas pero con algunas facetas de cristal y un diámetro promedio de 10 a 12 nanómetros.
Luego, el equipo puso las partículas en un sistema más diluido y volvió a ejecutar todas las pruebas, dando al equipo un antes y un después de las partículas. Los resultados proporcionaron al equipo la composición, estructura, y propiedades magnéticas de las partículas de titanomagnetita, con distinciones entre la forma en que las partículas se comportan en el interior en relación con sus superficies. Descubrieron que en un líquido ligeramente ácido o rico en protones, el Fe (II) se mueve desde el interior de la partícula a la superficie a la solución.
"Es realmente difícil rastrear el movimiento del hierro en las muestras, particularmente en las pocas capas atómicas cercanas a la superficie, "dijo el Dr. Kevin Rosso, quien lidera el grupo de Geoquímica en PNNL y trabajó en este estudio. "Pero, en este sistema hicimos precisamente eso ".
Al determinar las fórmulas complejas que explican cómo se comportan las nanopartículas con diferentes niveles de hierro, el equipo ahora está tomando esos datos y comparándolos con el comportamiento de la titanomagnetita que se encuentra en el sitio de Hanford. Estas comparaciones están ayudando a los científicos a predecir mejor cómo se comportará el material natural cuando encuentre diferentes tipos de desechos durante miles de años.
