För geovetare, att titta på hur mineraler reagerar under olika förhållanden kan ge en hel del information om egenskaperna hos de material som utgör vår värld. I vissa fall, Att bara exponera mineraler för vattenbaserade miljöer kan ge intressanta egenskaper och resultat.

I en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare placerade små järnoxidpartiklar i en sur lösning, orsakar oxidation av järnatomer på partiklarnas yta. När reaktionen fortskred, forskarna observerade påfrestningar som byggdes upp och penetrerade inuti mineralpartikeln.

"Det som verkligen är nytt med det här arbetet är att vi gör det med geologiska mineraler som kan ha oregelbunden morfologi, i motsats till idealiserade partiklar med väldefinierade former. Det är en ny tillämpning av dessa verktyg för att förstå hur [oxidation] sker i mineraler i nanostorlek, sade Paul Fenter, Argonne-fysiker.

Formen på partiklarna styrde graden och typen av töjning, sa Argonne-fysikern Paul Fenter. "När vi tittar på hur saker reagerar, vi oroar oss vanligtvis inte så mycket om materialets form eller morfologi. I detta fall, vi har ett resultat där den rumsliga fördelningen av reaktivitet inom partikeln inte är enhetlig, som vi tror i slutändan styrs av dess storlek och form, " han sa.

När man tittar på järnoxidpartiklarna, även känd som magnetit, Fenter och hans kollegor observerade bildandet av hematit, en reaktion som börjar vid partikelytan. "Väsentligen, vad som händer är att vi förändras från en sorts rost till en annan sorts rost, " sa postdoktorn Ke Yuan, den första författaren till studien.

När forskarna observerade förändringarna i partikeln som orsakades av oxidationen, de observerade påfrestningar som trängde in i materialet, samt uppkomsten av isolerade defekter. "Vi går bort från en förståelse av dessa reaktioner som att de sker enhetligt i en stor klump av material mot en mer sofistikerad förståelse av hur partikelformen och morfologin kan förändra och påverka hur en reaktion fortskrider, sa Fenter.

"Även om dessa partiklar alla är magnetit, de reagerar alla på lite olika sätt, och så detta är en utmaning för att förstå hur reaktioner fortskrider i system där man har olika mikro- och nanostrukturer av partiklarna, "Tillade Yuan.

För att identifiera töjningsfördelningarna i materialet, forskarna använde en teknik som kallas coherent diffraction imaging (CDI), vilket gjorde att de kunde se in i materialets atomgitter. Använder CDI vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), en användaranläggning för DOE Office of Science, forskarna kunde upptäcka en liten minskning av gitteravståndet - mindre än en procent - som ett resultat av oxidationen av järnet. Denna lilla differentiering i gitteravståndet spreds ojämnt över järnoxidpartiklarna; forskarna tror att det är ansvarigt för att skapa de defekter som forskarna observerade.

"APS:s förmåga att tillhandahålla lysande sammanhängande röntgenstrålar gör den unik för denna typ av experiment, " sa APS strållinjeforskaren Wonsuk Cha. "Genom att generera högt penetrerande röntgenstrålar med betydande koherent flöde, och sedan kombinera dem med dedikerad röntgenbildinstrument, vi kan kartlägga den interna strukturen och spänningen i material i 3D med nanoskala rumslig upplösning och atomär känslighet."

Enligt Fenter, tillämpa CDI på verkliga, geokemiskt relevanta material representerar ett steg framåt för tekniken. "Det som verkligen är nytt med detta arbete är att vi gör det med geologiska mineraler som kan ha oregelbundna morfologier, i motsats till idealiserade partiklar med väldefinierade former, " sa han. "Det är en ny tillämpning av dessa verktyg för att förstå hur detta beteende händer i mineraler i nanostorlek."

"Det är ett bra modellsystem för naturliga system, ", tillade Yuan. "Det ger oss ett bra sätt att förstå reaktiviteten hos komplexa naturliga system."

Fenter förklarade att resultaten kunde ha större relevans för geovetenskapssamhället. Framtida studier som tittar på hur joner binder till ett minerals yta kan påverkas av spänning, även när den här stammen kommer från insidan av materialet, han sa.

En artikel baserad på studien, "Oxidationsinducerad spänning och defekter i magnetitkristaller, " dök upp i 11 februari-numret av Naturkommunikation .