Metoder för att förbättra vattenrening eller bygga bättre batterier är problem som har utmanat forskare i decennier. Framstegen har gått framåt, men stigande efterfrågan flyttar mållinjen längre och längre bort.

På samma gång, de kemiska reaktionerna som gör dessa förbättringar möjliga sker i skalor som är osynliga för blotta ögat (atomskalan) där vätskor och fasta ytor möts, gör arbetet ännu svårare.

Att veta hur dessa kemiska interaktioner sker vid gränssnittet mellan fast och vätska är avgörande i problem av stort intresse för Department of Energy (DOE), särskilt när det gäller miljö- och vattenkvalitetsfrågor som kan påverkas av storskalig energiproduktion.

Nu, en ny teknik utvecklad av ett team inklusive University of Delaware Prof. Neil Sturchio och kollegor vid Argonne National Laboratory och University of Illinois i Chicago har producerat realtidsobservationer som dokumenterar de kemiska reaktionerna som sker mellan vätskor och fasta ämnen.

Tekniken tillhandahåller data som kan användas för att förbättra förutsägelser om hur näringsämnen och föroreningar kommer att röra sig i naturliga system eller för att mäta effektiviteten av vattenreningsmetoder där jonbyte är avgörande för sanering.

Det kan också hjälpa forskare att peka ut begränsande faktorer för superkondensatorer - robusta energilagringsenheter som ofta används över vanliga batterier för att driva konsumentelektronik, hybridfordon, även kraft i stor industriell skala.

Energiutbyte i kemiska reaktioner

Sturchio, en geokemist, har studerat interaktioner mellan mineral och vatten i 25 år med finansiering från DOE. Han och hans medarbetare visade nyligen ett nytt sätt att studera den mikroskopiska strukturen och processerna som sker där mineraler och vatten möts, använda röntgenstrålar för att utlösa reaktionerna samtidigt som man tar bilder av deras effekter på mineralytan.

Använder nu en metod som heter Resonant Anomalous X-Ray Reflectivity (RAXR), forskarna kan gå ett steg längre och urskilja identiteten på det element som studeras.

"Med våra tidigare metoder, vi kunde se elektrondensitetsprofilen i atomär skala för gränssnittsregionen - en nanometertjock zon inklusive mineralytan och den intilliggande lösningen - men kunde inte unikt identifiera atomskikten, sa Sturchio, professor och ordförande för institutionen för geologiska vetenskaper vid UDs College of Earth, Hav, och miljö.

Tekniken kräver en högkvalitativ kristall så forskarna valde glimmer, ett mineral som till sin struktur liknar de rikliga lermineralerna i jordar som producerar en atomärt platt kristall användbar vid laboratorieundersökningar av gränsytegenskaper.

Forskarna reflekterade en intensiv röntgenstråle från ett glimmerprov i omväxlande kontakt med två olika saltlösningar innehållande rubidium och natriumklorid. Genom att ändra strålens vinkel, forskare kunde skanna gränssnittsprofilen i atomär skala. Genom att ändra strålens energi i en fast vinkel, de kunde isolera fördelningen av rubidiumjoner i gränsytan.

"I detta fall, vi kan ställa in och fråga specifikt var är rubidium? Hur är den fäst vid glimmerkristallen och hur frigörs den till lösningen?" sa han.

Enligt Sturchio, de flesta kemiska reaktioner i grundvatten och i atmosfären, såväl som under industriella processer inklusive vattenrening och vissa former av energilagring, hända vid ytor som elektroder eller partiklar. När en kemisk reaktion inträffar, joner sparkas av eller dras på och energi utbyts. Att kvantitativt förstå hur jonerna utbyts i denna skala kan användas för att designa kemiska processer för att förbättra vattenrening eller förstå hur föroreningar transporteras i mark och grundvatten.

I detta projekt, forskarna ville se vad som krävs för att få rubidium, en alkalimetall, att släppa från glimmerytan när den väl fästs. De åstadkom detta genom att snabbt ändra lösningen som flödade över glimmerkristallen från rubidiumklorid till en mer koncentrerad natriumklorid, tidsinställda sedan reaktionen för att bestämma hur lång tid det tog för rubidiumjonerna att frigöras (desorbera) från glimmern och för natriumkloridjonerna att ta sin plats (adsorbera).

Rent generellt, adsorptionsreaktioner tros inträffa i millisekunder, men här tog det 25 sekunder för rubidium att släppa från ytan (desorption) och natriumjonerna att ta sin plats (adsorption).

Ju närmare rubidiumet var gränsytan mellan mineral och vatten, desto mer fixerad blev dess position (på grund av elektrostatisk energi - den sorten som gör att en ballong fastnar på en vägg efter att man gnuggat den mot en tröja) och desto mer energi krävdes för att bända bort den från glimmern. Omvänt, ju fler vattenmolekyler mellan kristallens yta och rubidiumjonen, ju mer vickutrymme rubidium hade i sin position och desto mindre energi tog det för att bryta sig loss. Experimenten hjälpte till att kvantifiera de minimala mängderna energi som överfördes under alkalijonbyte vid denna gränsyta, och inblandning av vattenmolekyler i reaktionsmekanismen.

Reaktionen var långsammare än forskarna trodde, och även om ytterligare studier krävs, de är överens om att resultaten ger bevis för att förstå de tidsramar som krävs för att önskade reaktioner ska inträffa.

Däremot när lösningarna byttes tillbaka, rubidiumet adsorberades på glimmerytan mycket snabbare än det desorberades, genom att kasta bort sina vidhäftade vattenmolekyler, visar att hydrering är viktig för reaktionen.

"För att designa en industriell process behöver du veta exakt vad som händer på ytan, sade Sturchio. Så vitt vi vet, detta är första gången någon har dokumenterat så detaljerad information om hur dessa jonbytesreaktioner sker på en mineralyta i kontakt med vatten, och i detta fall, vi har bra bevis för hur lång tid det faktiskt tar."