Som järn som flödar genom blodomloppet, järnmineraler går genom marken. Dessa mineraler används för att tillverka stål och andra metallegeringar som används i allt från mobiltelefonkomponenter och bilar till byggnader, industriell utrustning och infrastruktur.

Tyvärr, när de utsätts för syre och fukt, järn oxiderar — eller rostar. Och rost är obeveklig.

Att veta mer om de kemiska reaktionerna som driver och upprätthåller rost kan innehålla ledtrådar för tekniskt förbättrade, järnbaserade material. Det kan också leda till framsteg när det gäller gödningsmedel eller jordvårdsmedel som ökar järnupptaget för växtnäring.

Forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory rapporterar i tidskriften PNAS ett genombrott för att visualisera reaktiviteten hos rostmineraler när de saknar syre, som de som ligger under jordytan. Med hjälp av järnisotoper och atomsondstomografi, eller APT, de spårade dessa oxidations-reduktionsreaktioner för att skapa de första 3D "atomkartorna" av omarrangemanget av olika järnatomer i en liten järnoxidkristall.

APT-kartorna avslöjade en överraskande dynamisk järncykel, visar den kontinuerliga rörelsen av järn på och från mineralytorna.

"Vi såg att järnatomer i vatten specifikt sökte upp och fyllde i små gropar, eller defekter, i kristallytorna, sa Sandra Taylor, en postdoktoral forskarassistent i PNNL:s Geochemistry Group som utförde mätningarna. "Att se dessa omkristalliserade områden i atomär skala visade oss att reaktionen effektivt kan "läka" skadade områden på kristallytan, och tillväxt drivs av perfektion."

Kevin Rosso, en PNNL Laboratory Fellow och ledande utredare för studien, säger resultaten bekräftar att reaktioner med rostmineraler i jordar och stålkorrosionsprodukter är mer dynamiska än man normalt tror. De illustrerar hur rost kvarstår på metallrör under föränderliga kemiska förhållanden, gör det möjligt för den att kontinuerligt korrodera och försämras med tiden.

Upptäckten avslutade en årslång ansträngning för att fånga kemiska sammansättningsmätningar och bilder på atomär skala i 3-D med hjälp av APT. Denna sofistikerade och utmanande teknik kräver stor skicklighet för att framgångsrikt undersöka ytorna på nanopartikeljärnoxider. Atomsonden finns i Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science-användaranläggning på PNNL.

"Denna studie sätter ett nytt prejudikat för att karakterisera detta viktiga redoxgränssnitt, sa Rosso, och tillägger att resultaten kan användas för att bättre förstå ett brett spektrum av processer. Dessa inkluderar att förstå hur kristaller växer och löses upp, och även de bakomliggande orsakerna till korrosion och hur den skapar rost på ytor – rost som aldrig sover.