Mineraler som utgör stenar och jordar kastas ur jämvikt när omgivningens kemi förändras. Förändringar i pH eller koncentrationen av joner i vatten gör att mineraler löses upp, växa, eller reagera på andra sätt. Dessa reaktioner påverkas av arrangemanget av atomer vid gränsytan – där mineraler och vatten berörs. Historiskt sett, det har varit svårt att studera dessa strukturer medan reaktionerna pågår eftersom gränssnittet ständigt förändras, begränsar vår förståelse av hur strukturerna styr reaktionshastigheten.

Nu, ett team ledd av Dr. Kevin Rosso vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) uppnådde den första 3D-vyn av atomstrukturen vid gränsytan mellan vatten och mineralet hematit när reaktionerna inträffar. Den nya vyn visade hur gränssnittsstrukturen är annorlunda medan den reagerar, och hur dessa skillnader kan styra flödet av joner till miljön.

Oavsett om det används för att odla grödor eller delas isär för att göra vätebränsle, Att noggrant modellera vattnets beteende är avgörande. Detta arbete är den första systematiska studien av de små strukturer som bildas vid gränsytan mellan vatten och det rikliga järnrika mineralet hematit när detta gränssnitt är långt ifrån jämvikt. Forskningen ger viktiga insikter om gränssnittet och långt ifrån jämviktsförhållanden som påverkar gränssnittet.

"Dessa exakta mätningar kommer att hjälpa oss att bygga bättre modeller av reaktioner som är avgörande för grundvattenkvaliteten, solvattenklyvning, och mycket mer, " sa Dr Martin McBriarty, en PNNL geovetare på projektet.

Mineralerna som utgör stenar och jordar är ofta ur jämvikt med sin omgivning, särskilt när miljöförhållandena förändras. Mineraler svarar genom att lösas upp, växande, eller överföra laddning med sin omgivning. Dessa processer påverkas av strukturen i atomär skala vid deras gränssnitt med vatten. Ofta är det enda sättet att studera dessa strukturer när gränssnittet inte förändras.

Nu, forskare vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory och University of Chicago fick den första 3D-vyn av atomstrukturen vid gränsytan mellan vatten och mineralet hematit medan hematiten fungerar som en elektrod. Teamet såg hur atomerna vid hematitytan och vattenmolekylerna i närheten reagerade på långt ifrån jämviktsförhållanden orsakade av elektrisk laddning av gränssnittet. När ytan var negativt laddad, några vattenmolekyler fastnade på ytan, medan andra vattenmolekyler blev oordnade och flyttade bort från ytan.

Vad betyder dessa strukturella förändringar? Flödet av elektrisk laddning och joner styrs av strukturen medan gränssnittet laddas, och den starkare bindningen av vattenmolekyler vid ytan kan förklara varför hematit löses upp långsammare än förutspått.

Teamets metod för att lösa dessa långt ifrån jämviktsstrukturer skulle kunna användas för att studera andra gränssnitt. Detta är den första systematiska studien av strukturen i atomär till nanoskala hos ett gemensamt mineral-vattengränssnitt som är långt ifrån jämvikt. Forskningen erbjuder ett stort framsteg för att noggrant modellera reaktioner som är viktiga för allt från grundvattenkvalitet, till energiutvinning från underytan, till solvattenklyvning.