Como una pequeña aguja en un campo de heno en expansión, un solo grano de cristal que medía apenas decenas de millonésimas de metro, encontrado en una muestra de un pozo perforado en Siberia Central, tenía una composición química inesperada.

Y una técnica de rayos X especializada en uso en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) confirmó la singularidad de la muestra y allanó el camino para su reconocimiento formal como un mineral recién descubierto:la ognitita.

Basado en este éxito con la técnica en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, el equipo de investigación lo está empleando para estudiar otras pequeñas muestras de candidatos prometedores para nuevos descubrimientos minerales. El ALS es un sincrotrón que produce rayos X y otros tipos de luz para decenas de experimentos simultáneos.

"La dificultad es que estos minerales pueden ser extremadamente raros y solo están disponibles en cantidades muy pequeñas, "dijo Nobumichi Tamura, un científico del personal de la ALS que ayudó a personalizar la técnica experimental, conocida como microdifracción de rayos X Laue (y también difracción de rayos X micro-Laue), para estudiar muestras de cristales diminutos, incluidos minerales. Tamura participó en el descubrimiento de la ognitita y ahora está trabajando con el mismo equipo para explorar otras muestras.

Asumiendo los 'casos desesperados'

La estructura del mineral ognitita y otras propiedades se detallan en un estudio publicado en mayo en Revista Mineralógica y también documentado en el Revista europea de mineralogía . El estudio también describe una nueva, variedad mineral rica en cobalto, descrita como "maucherita de cobalto", que Tamura exploró utilizando la misma técnica en el ALS.

"Estamos viendo casos en los que ninguna técnica convencional puede funcionar, "Dijo Tamura." Estos son los casos desesperados ".

Él agregó, "Me había interesado durante años en desarrollar esta técnica específicamente para identificar nuevos minerales, porque ocasionalmente hay investigadores que tienen un material desconocido que no pueden resolver utilizando ninguna de las técnicas más convencionales ". En los casos de la ognitita y la maucherita cobaltiana, solo hay muestras individuales de cada uno que se han identificado, hasta la fecha.

La forma de microdifracción de rayos X de Laue empleada en el ALS utiliza un haz de rayos X de enfoque estrecho que abarca una gama de energías para explorar la estructura atómica de los materiales con un detalle exquisito. El rayo se enfoca aproximadamente a una centésima parte del diámetro de un cabello humano.

La difracción de rayos X monocristalina convencional generalmente rota las muestras de cristal en un haz de rayos X a una energía específica para ayudar a resolver su estructura atómica. Tamura notó.

Cuando las muestras de cristal son tan preciosas y pequeñas que los investigadores no pueden extraerlas fácilmente de los materiales circundantes sin dañar los cristales, técnicas que incluyen difracción de electrones, difracción de rayos X monocristalino, y la difracción de rayos X en polvo están normalmente fuera de discusión.

La técnica ALS, mientras tanto, escanea toda la muestra sin necesidad de girar el cristal, separarlo de su entorno, o prepáralo de cualquier otra forma para estudiarlo.

Todo el escaneo se completa en unos minutos, aunque el análisis de datos para esta técnica es mucho más complejo que para la difracción convencional y requiere una potencia de cálculo sustancial. Los investigadores utilizan grupos de computadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) de Berkeley Lab y su División de Investigación Computacional para procesar los datos de los experimentos de microdifracción de Laue.

Catherine Dejoie, ahora un científico de línea de luz en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), fue contratado como investigador postdoctoral ALS en 2009 específicamente para desarrollar un método para analizar los datos de la técnica de microdifracción de Laue para resolver la estructura atómica de materiales. Trabajó en estrecha colaboración con Tamura.

Pistas químicas en una muestra diminuta

Andrei Barkov, director del Laboratorio de Investigación de Mineralogía Industrial y Mineral de la Universidad Estatal de Cherepovets en Rusia, dirigió el equipo internacional al que se le atribuye el descubrimiento de la ognitita y fue el autor principal del estudio de la ognitita.

Ese equipo incluía a Tamura y Camelia Stan. Stan era un investigador de la ALS que participó en el estudio de la ognitita, pero desde entonces dejó Berkeley Lab. Elise Grenot, un estudiante investigador de la École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA) de Francia, una escuela de ingeniería, ahora está ayudando a Tamura con la última ronda de experimentos candidatos con nuevos minerales en la ALS.

Barkov aprendió sobre la técnica desarrollada en Berkeley Lab a través de su conexión con Björn Winkler, profesor de la Universidad Goethe de Frankfurt en Alemania que estaba familiarizado con la técnica ALS.

Barkov ya había participado en varios otros descubrimientos minerales exitosos, incluyendo estudios que llevaron al reconocimiento formal de tatyanaite, edgarita, laflammeita, y menshikovita como nuevos minerales. Pero la muestra ahora conocida como ognitita fue un desafío para confirmar como un nuevo mineral, aunque su química parecía ser única. Barkov señaló.

"Se sospechaba que este mineral era potencialmente nuevo sobre la base de su composición, que está inusualmente enriquecido en bismuto, ", dijo." Podríamos encontrar un solo espécimen, como un grano diminuto. El grano es tan pequeño, por eso las contribuciones micro-Laue de Nobu Tamura fueron tan importantes ".

Tomó dos intentos, incluyendo una ronda de seguimiento de experimentos en la ALS para el segundo esfuerzo, recibir el reconocimiento de la ognitita como un mineral único de la Comisión de Nuevos Minerales, Nomenclatura y Clasificación de la Asociación Mineralógica Internacional (IMA). El IMA informó 5, 413 minerales reconocidos a noviembre de 2018, y la lista generalmente aumenta en 30 minerales o más cada año después de la revisión y aprobación de la comisión.

La ognitita contiene níquel, bismuto, y telurio. El estudio señala que su estructura cristalina es similar a un mineral llamado melonita, que también está compuesto de níquel y telurio pero no está asociado con una alta concentración de bismuto. Y la ognitita es químicamente similar al mineral telurohauchecornita, que se compone de níquel, bismuto, telurio, y azufre.

Nuevo mineral lleva el nombre del complejo mineral Ognit en Siberia

Barkov dijo que la primera opción del equipo de descubrimiento de ognitita fue nombrarla "baikalita" en honor al lago Baikal. que se encuentra en la región donde se descubrió el nuevo mineral, pero este nombre no fue aprobado por la IMA. En cambio, la comisión favoreció la "ognitita", ya que el hallazgo de mineral se obtuvo en un lugar conocido como el complejo ultramáfico Ognit en la región de las montañas Sayan de Siberia.

Se sabe que esta formación geológica es rica en depósitos de metales, incluidos elementos raros del grupo del platino, níquel, y cromo.

La muestra de maucherita de cobalto se recuperó de arseniuros ricos en níquel en el mismo complejo de Ognit, Barkov dijo:y mide solo 20 millonésimas de metro de ancho. Debido a su tamaño y rareza, "Solo se pudo caracterizar estructuralmente" utilizando la técnica micro-Laue, él dijo.

Su equipo está explorando este tipo de formación en otras partes de Rusia, y las formaciones rocosas de particular interés pueden variar en tamaño desde aproximadamente un kilómetro hasta decenas de kilómetros, él dijo.

"Recopilamos y examinamos, en detalle, miles de muestras de rocas y minerales, y muchos más granos minerales, ", dijo." Como resultado de estos esfuerzos, se pueden encontrar granos individuales de minerales potencialmente nuevos ".

Su equipo suele utilizar microscopios ópticos, microscopios electrónicos de barrido, una técnica conocida como espectroscopia de rayos X de dispersión de energía, espectroscopia dispersiva de longitud de onda, y difracción de rayos X convencional para estudiar muestras de minerales que se han recolectado durante décadas.

De Rusia a la ALS

Barkov se puso en contacto con Björn Winkler para averiguar si podía crear una forma sintética de ognitita, y también para sintetizar otras muestras minerales.

"El profesor Winkler tiene una sólida formación y las instalaciones adecuadas en su laboratorio para sintetizar nuevos compuestos que son análogos a los minerales potencialmente nuevos, "Dijo Barkov. Winkler ya había establecido una colaboración con Tamura, y luego Barkov se acercó a Tamura sobre la posibilidad de estudiar la muestra de ognitita en el ALS.

Dejoie, quien ayudó a desarrollar los métodos de análisis de datos para apoyar el uso de la técnica ALS para estudiar la estructura de cristales diminutos, ha regresado a la ALS casi todos los años para realizar experimentos utilizando esta técnica, y mejorar los métodos de análisis de datos. Dijo que en su propia investigación ahora está usando la técnica para experimentos resueltos en el tiempo que rastrean cómo los materiales pasan de un estado de la materia a otro.

Si bien la microdifracción de rayos X Laue no es única entre las fuentes de luz de sincrotrón del mundo, Dejoie y Tamura señalaron que su aplicación especializada en el ALS y la madurez de sus métodos de análisis de datos son únicos.

"Empezamos a mirar cristales realmente pequeños, cristales que no se pueden mirar con una configuración clásica, "Recordó Dejoie.

Creciente interés

Señaló que la técnica se puede utilizar para resolver la sincronización de procesos como reacciones químicas y cambios estructurales en los materiales.

La técnica de microdifracción de Laue en la que trabajó en la ALS "es una alternativa realmente interesante a la difracción de electrones, "Dejoie dijo, o al menos una herramienta complementaria para estudiar la estructura cristalina, ya que puede recopilar rápidamente un conjunto completo de datos de alta precisión.

Señaló que una adaptación de la microdifracción de Laue también podría ser útil para estudios de cristales en fuentes de luz conocidas como láseres de rayos X de electrones libres (XFEL), que tienen ultracorto, pulsos brillantes.

"Es gracioso ver el paralelo, ya estábamos usando un tipo de enfoque similar" para caracterizar la estructura de los cristales en una sola pasada, y sin necesidad de rotarlos u orientarlos de una forma particular, antes de que esto se probara en los estudios XFEL.

En una técnica XFEL conocida como "cristalografía en serie, "muchas muestras de cristal se transmiten por el camino de los pulsos de rayos X de energía estrecha. En estos experimentos, La información se recopila a partir de pulsos de rayos X individuales que golpean cristales orientados aleatoriamente del mismo tipo de muestra para desarrollar una estructura atómica tridimensional completa.

Dejoie se desempeñó como autor principal de un estudio de 2015 que detalla cómo la técnica de difracción de Laue de usar un pulso X de energía amplia para golpear cristales individuales o múltiples orientados al azar simultáneamente podría adaptarse para su uso en XFEL como un nuevo enfoque de "instantánea" a los convencionales. cristalografía en serie.

Es gratificante ella dijo, para saber que la técnica basada en sincrotrón para la microdifracción de Laue que trabajó para desarrollar en el ALS fue útil para confirmar un nuevo mineral. "Siempre es bueno que veas algo en lo que has estado trabajando para generar interés. Significa que se está extendiendo, y que puede haber un poco más de desarrollo y más gente trabajando en ello ".

ALS y NERSC son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

El equipo que participó en el descubrimiento de la ognitita también incluyó a investigadores de la Universidad de Florencia en Italia. Universidad Federal de Siberia en Rusia, Universidad McGill en Canadá, y el Museo de Historia Natural en el Reino Unido. El ALS cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE. Se apoyó a las personas que participaron en el estudio, en parte, por la Fundación Rusa para la Investigación Básica y el Consejo de Investigación del Medio Ambiente Natural del Reino Unido.