Desde los esplendorosos tonos rojos del Gran Cañón hasta el óxido mundano que ataca a una bicicleta abandonada, los hidróxidos de hierro nos rodean. Como una cuestión de hecho, son tan comunes como el cuarzo, que es el mineral más distribuido en el planeta.

Los científicos saben que los hidróxidos de hierro pueden capturar metales pesados ​​y otros materiales tóxicos, y que los óxidos de hierro también pueden ser semiconductores naturales. Si bien estas propiedades sugieren muchas aplicaciones, los detalles completos de cómo se forman los hidróxidos de hierro en un sustrato de cuarzo se han escondido en una especie de "caja negra", hasta ahora.

Young-Shin Jun, un profesor de energía, Ingeniería ambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, ha ideado una manera de abrir esa caja y observar el momento en que se forma el hidróxido de hierro en el cuarzo.

Su investigación fue publicada en Ciencia y tecnología ambiental .

"Esto cuenta la historia del nacimiento del hidróxido de hierro, "Dijo Jun.

Cuando se habla de "formación, "normalmente se refieren al crecimiento de una sustancia. Antes del crecimiento, sin embargo, tiene que haber algo para crecer. ¿De dónde viene ese primer pedacito de hidróxido de hierro?

Primero, es necesario disponer de suficientes elementos precursores. Luego, los componentes pueden unirse para formar un núcleo estable que se convertirá en una pequeña partícula sólida de hidróxido de hierro, llamado partículas a nanoescala. El proceso se llama nucleación sólida.

La ciencia tiene un control firme sobre la suma de estos dos procesos:nucleación y crecimiento, juntos se conocen como "precipitación", y su suma se ha utilizado para predecir el comportamiento de formación del hidróxido de hierro. Pero estas predicciones han omitido en gran medida una consideración separada de la nucleación. Los resultados "no fueron lo suficientemente precisos, ", Dijo Jun." Nuestro trabajo proporciona una descripción cuantitativa de la nucleación, no es un cálculo, para que podamos proporcionar evidencia científica sobre este eslabón perdido ".

Esta contribución abre muchas posibilidades importantes. Podemos comprender mejor la calidad del agua en los sitios de drenaje ácido de minas, reducir el ensuciamiento de la membrana y la formación de incrustaciones en las tuberías, y desarrollar materiales superconductores más respetuosos con el medio ambiente.

Jun pudo mirar dentro de la caja negra de precipitación usando rayos X y una nueva célula experimental que desarrolló para estudiar sistemas complejos ambientalmente relevantes con abundante agua. iones y material de sustrato, observando la nucleación en tiempo real.

Trabajando en la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne en Lemont, Illinois, Jun empleó una técnica de dispersión de rayos X llamada "dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante". Al hacer brillar rayos X sobre un sustrato con un ángulo muy poco profundo, cerca del ángulo crítico que permite la reflexión total de la luz, esta técnica puede detectar la primera aparición de partículas de tamaño nanométrico en una superficie.

El enfoque es tan novedoso, Jun dijo, que cuando habla del trabajo de su laboratorio sobre nucleación, "La gente cree que estamos haciendo modelos por computadora. Pero no, lo estamos examinando experimentalmente en el momento en que sucede, ", dijo." Somos observadores experimentales. Puedo medir el punto inicial de nucleación ".

Su método empírico reveló que las estimaciones generales que los científicos han estado utilizando exageran la cantidad de energía necesaria para la nucleación.

"El hidróxido de hierro se forma mucho más fácilmente en las superficies minerales de lo que pensaban los científicos, porque se necesita menos energía para la nucleación de sólidos altamente hidratados en superficies, "Dijo Jun.

Es más, Tener un valor preciso también ayudará a mejorar los modelos de transporte reactivo:el estudio del movimiento de materiales a través de un entorno. Por ejemplo, ciertos materiales pueden secuestrar metales tóxicos, evitando que entren en las vías fluviales. Un modelo de transporte reactivo actualizado con información de nucleación más precisa tendrá implicaciones significativas para los investigadores de la calidad del agua que trabajan para predecir y controlar mejor las fuentes de contaminación. "El hidróxido de hierro es el principal depósito de secuestro de estos contaminantes, "Jun dijo, "y conocer su origen es fundamental para predecir su destino".

Para instalaciones de fabricación de alta tecnología, tener una comprensión más precisa de cómo se forman los óxidos o hidróxidos de hierro permitirá una producción más eficiente y menos derrochadora de superconductores a base de hierro.