Los minerales que forman las rocas y los suelos se desequilibran cuando cambia la química de su entorno. Los cambios en el pH o la concentración de iones en el agua hacen que los minerales se disuelvan, crecer, o reaccionar de otras formas. Estas reacciones están influenciadas por la disposición de los átomos en la interfaz, donde los minerales y el agua se tocan. Históricamente, Ha sido difícil estudiar estas estructuras mientras se producen las reacciones porque la interfaz cambia constantemente, limitando nuestra comprensión de cómo las estructuras controlan la velocidad de reacción.

Ahora, un equipo dirigido por el Dr. Kevin Rosso del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE logró la primera vista tridimensional de la estructura atómica en la interfaz del agua y el mineral hematita a medida que ocurren las reacciones. La nueva vista mostró cómo la estructura interfacial es diferente mientras reacciona, y cómo estas diferencias pueden controlar el flujo de iones al medio ambiente.

Ya sea que se utilice para cultivar o se separe para producir hidrógeno como combustible, Modelar con precisión el comportamiento del agua es vital. Este trabajo es el primer estudio sistemático de las diminutas estructuras que se forman en la interfaz del agua y la abundante hematita mineral rica en hierro cuando esta interfaz está lejos del equilibrio. La investigación ofrece información clave sobre la interfaz y las condiciones lejos del equilibrio que influyen en la interfaz.

"Estas mediciones precisas nos ayudarán a construir mejores modelos de reacciones vitales para la calidad del agua subterránea, división de agua solar, y mucho más, "dijo el Dr. Martin McBriarty, un geocientífico del PNNL en el proyecto.

Los minerales que forman las rocas y los suelos a menudo están fuera de equilibrio con su entorno, especialmente a medida que cambian las condiciones ambientales. Los minerales responden disolviéndose, creciente, o transfiriendo carga con su entorno. Estos procesos están influenciados por la estructura a escala atómica en su interfaz con el agua. A menudo, la única forma de estudiar estas estructuras es cuando la interfaz no cambia.

Ahora, Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE y la Universidad de Chicago obtuvieron la primera vista tridimensional de la estructura atómica en la interfaz del agua y el mineral hematita mientras la hematita actúa como un electrodo. El equipo vio cómo los átomos en la superficie de la hematita y las moléculas de agua cercanas respondían a las condiciones lejos del equilibrio causadas por la carga eléctrica de la interfaz. Cuando la superficie estaba cargada negativamente, algunas moléculas de agua se pegaron a la superficie, mientras que otras moléculas de agua se desordenaron y se alejaron de la superficie.

¿Qué significan estos cambios estructurales? El flujo de carga eléctrica e iones está controlado por la estructura mientras se carga la interfaz, y la unión más fuerte de las moléculas de agua en la superficie podría explicar por qué la hematita se disuelve más lentamente de lo previsto.

El enfoque del equipo para resolver estas estructuras lejos del equilibrio podría usarse para estudiar otras interfaces. Este es el primer estudio sistemático de la estructura atómica a nanoescala de una interfaz común de agua mineral que se encuentra lejos del equilibrio. La investigación ofrece un gran avance para modelar con precisión reacciones importantes para todo, desde la calidad del agua subterránea, a la extracción de energía del subsuelo, a la división del agua solar.