För att förstå olika miljöprocesser och lära sig att bättre hantera effekterna av föroreningar, forskare har varit intresserade av att spåra rörelsen av element genom miljön, särskilt vid gränssnittet mellan vatten och mineraler.

I en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbete med University of Illinois och Chicago och University of Delaware, kemister har kunnat titta på gränssnittet mellan vatten och muskovitglimmer, ett platt mineral som vanligtvis finns i granit, jordar och många sediment. Särskilt, forskarna tittade på infångningen och frigörandet av rubidium - en metall som är nära besläktad med men som är lättare att peka ut än vanliga grundämnen som kalium och natrium.

I experimentet, forskarna flödade en rubidium-innehållande lösning över glimmern, vilket fick rubidiumatomer att ersätta det kalium som förekommer naturligt nära glimmerytan. Sedan ersattes rubidiumlösningen mot en som innehöll natrium, som i sin tur ersatte rubidiumatomerna.

Enligt Argonne-kemist Sang Soo Lee, som ledde studien, jontransportens dynamik styrdes till stor del av elektrostatiska egenskaper vid gränsytan mellan glimmer och vatten. Väsentligen, rubidiumatomerna "klamrade sig fast" på glimmerns yta på samma sätt som hur ludd klamrar sig fast vid kläder. Styrkan i det klängande beteendet bestämdes främst av hur många vattenmolekyler som fanns mellan glimmerns yta och rubidium - ju färre vattenmolekyler, desto hårdare klängning.

Lee och hans Argonne-kollega, kemisten Paul Fenter, använde Argonnes avancerade fotonkälla, en användaranläggning för DOE Office of Science, att observera rubidiums aktivitet med hjälp av en teknik som kallas resonant anomalous röntgenreflektivitet. Denna teknik gör det möjligt för forskare att undersöka positionen för ett enda element vid ett gränssnitt.

"Väsentligen, det är som att leta efter en guldfink i ett träd, och använder en teknik som bara visar dig var gula saker är, sa Fenter.

Genom att använda tekniken, forskarna kunde kondensera tidsramen det tar att mäta signalen från data. "Normalt tar dessa data timmar att mäta, men nu kan vi ha en tidsupplösning på en eller två sekunder, sa Fenter.

Att ha en bild av realtidsdynamiken hos dessa typer av gränssnitt ger forskare en ny syn på hur joner känner av ytor energiskt. "Om du tänker på våra experiment som att titta på flygplan på en flygplats, sedan tidigare kunde vi bara veta hur många Boeings eller Cessna det fanns, " sa Lee. "Nu, vi har ett sätt att se hur planen faktiskt lyfter och landar."

En artikel baserad på forskningen, "Realtidsobservationer av katjonbyteskinetik och dynamik vid gränsytan mellan muskovit och vatten, " publicerades i Naturkommunikation den 9 juni.