Som en liten nål i en vidsträckt slåttermark, ett enstaka kristallkorn på bara tiotals miljondelar av en meter – hittat i ett borrhålsprov som borrats i centrala Sibirien – hade en oväntad kemisk sammansättning.

Och en specialiserad röntgenteknik som används vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) bekräftade provets unikhet och banade väg för dess formella erkännande som ett nyupptäckt mineral:ognitit.

Baserat på denna framgång med tekniken vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), forskargruppen använder den för att studera andra små prover av lovande kandidater för nya mineralfyndigheter. ALS är en synkrotron som producerar röntgenstrålar och andra typer av ljus för dussintals samtidiga experiment.

"Svårigheten är att dessa mineraler kan vara extremt sällsynta och bara är tillgängliga i mycket små mängder, " sa Nobumichi Tamura, en forskare vid ALS som hjälpte till att anpassa den experimentella tekniken – känd som röntgen Laue mikrodiffraktion (och även mikro-Laue röntgendiffraktion) – för att studera små kristallprover inklusive mineraler. Tamura deltog i ognititupptäckten och arbetar nu med samma team för att utforska andra prover.

Tar sig an de "desperata fallen"

Ognititmineralens struktur och andra egenskaper beskrivs i en studie som publicerades i maj i Mineralogisk tidning och även dokumenterat i European Journal of Mineralogy . Studien beskriver också en ny, koboltrik mineralvariant - beskriven som "kobolt maucherite - som Tamura utforskade med samma teknik vid ALS.

"Vi tittar på fall där inga konventionella tekniker kan fungera, ", sa Tamura. "Det här är de desperata fallen."

Han lade till, "Jag hade varit intresserad i flera år av att utveckla den här tekniken specifikt för att identifiera nya mineraler, för ibland finns det forskare som har ett okänt material som de inte kan lösa med någon av de mer konventionella teknikerna. "I fallet med ognitit och kobaltisk maucherit, det finns bara enskilda prover av varje som har identifierats, hittills.

Den form av röntgen Laue mikrodiffraktion som används vid ALS använder en smalt fokuserad röntgenstråle som spänner över en rad energier för att utforska atomstrukturen hos material i utsökt detalj. Strålen är fokuserad till ungefär en hundradel av diametern på ett människohår.

Konventionell enkristallröntgendiffraktion roterar typiskt kristallprover i en röntgenstråle vid en specifik energi för att hjälpa till att lösa deras atomstruktur, Tamura noterade.

När kristallprover är så värdefulla och små att forskare inte enkelt kan extrahera dem från omgivande material utan att skada kristallerna, tekniker inklusive elektrondiffraktion, enkristallröntgendiffraktion, och pulverröntgendiffraktion är vanligtvis uteslutna.

ALS-tekniken, under tiden, skannar över hela provet utan att behöva rotera kristallen, skilja den från dess omgivning, eller förbered det på något annat sätt för studier.

Hela skanningen är klar inom några minuter, även om dataanalysen för denna teknik är mycket mer komplex än för konventionell diffraktion och kräver betydande beräkningskraft. Forskare använder datorkluster vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) och dess Computational Research Division för att bearbeta data från Laue mikrodiffraktionsexperiment.

Catherine Dejoie, nu en strålningsforskare vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), anställdes som ALS-postdoktor 2009 specifikt för att utveckla en metod för att analysera data från Laues mikrodiffraktionsteknik för att lösa materials atomära struktur. Hon arbetade i nära samarbete med Tamura.

Kemiska ledtrådar i litet prov

Andrei Barkov, chef för forskningslaboratoriet för industri- och malmmineralogi vid Cherepovets State University i Ryssland, ledde det internationella teamet som krediterades med ognititupptäckten och var huvudförfattaren till ognititstudien.

Det laget inkluderade Tamura och Camelia Stan – Stan var en forskare vid ALS som deltog i ognititstudien men har sedan dess lämnat Berkeley Lab. Elise Grenot, en studentforskare från Frankrikes École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA), en ingenjörsskola, hjälper nu Tamura med den senaste omgången med kandidat-nya-mineral experiment på ALS.

Barkov lärde sig om tekniken som utvecklats vid Berkeley Lab genom sin koppling till Björn Winkler, en professor vid Goethe-universitetet i Frankfurt i Tyskland som var bekant med ALS-tekniken.

Barkov hade redan deltagit i flera andra framgångsrika mineralfyndigheter, inklusive studier som ledde till ett formellt erkännande av tatyanait, edgarit, laflammeite, och menshikovite som nya mineraler. Men provet nu känt som ognitit var utmanande att bekräfta som ett nytt mineral även om dess kemi verkade vara unik, Barkov noterade.

"Det här mineralet misstänktes vara potentiellt nytt på grund av dess sammansättning, som är ovanligt berikad med vismut, "sa han." Vi kunde bara hitta ett enda exemplar, som ett litet korn. Kornet är så litet-det var därför micro-Laue-bidragen från Nobu Tamura var så viktiga. "

Det tog två försök, inklusive en uppföljningsrunda med experiment vid ALS för den andra ansträngningen, att få erkännande av ognitit som ett unikt mineral från Commission on New Minerals, Nomenklatur och klassificering av International Mineralogical Association (IMA). IMA rapporterade 5, 413 erkända mineraler i november 2018, och listan växer vanligtvis med 30 eller fler mineraler varje år efter granskning och godkännande av kommissionen.

Ognitit innehåller nickel, vismut, och tellur. Studien noterar att dess kristallstruktur liknar ett mineral som kallas melonit, som också består av nickel och tellur men inte är förknippat med en hög koncentration av vismut. Och ognitit är kemiskt likt mineralet tellurohauchecornite, som består av nickel, vismut, tellur, och svavel.

Nytt mineral är uppkallat efter Ognit mineralkomplex i Sibirien

Barkov sa att ognititupptäckarteamets första val var att döpa den till "baikalite" efter Bajkalsjön, som är i regionen där det nya mineralet upptäcktes, men detta namn godkändes inte av IMA. Kommissionen gynnade istället "ognitit" eftersom mineralfyndet hämtades från en plats känd som Ognits ultramafiska komplex i Sibiriens Sayanbergsregion.

Denna geologiska formation är känd för att vara rik på metallavlagringar, inklusive sällsynta element i platina-gruppen, nickel, och krom.

Det koboltiska maucheritprovet utvanns från nickelrika arsenider i samma Ognit-komplex, Barkov sa, och mätte bara 20 miljondelar av en meter i diameter. På grund av dess storlek och sällsynthet, "det kunde bara karakteriseras strukturellt" med hjälp av mikro-Laue-tekniken, han sa.

Hans team utforskar denna typ av formation i andra delar av Ryssland, och klippformationerna av särskilt intresse kan variera i storlek från cirka en kilometer till tiotals kilometer, han sa.

"Vi samlar in och undersöker, i detalj, tusentals stenprover och malmprover, och många fler mineralkorn, " sa han. "Som ett resultat av dessa ansträngningar, enstaka korn av potentiellt nya mineraler kan hittas. "

Hans team använder vanligtvis optiska mikroskop, svepelektronmikroskop, en teknik som kallas energidispersiv röntgenspektroskopi, våglängdsdispersiv spektroskopi, och konventionell röntgendiffraktion för att studera mineralprover som har samlats in under decennier.

Från Ryssland till ALS

Barkov kontaktade Björn Winkler för att ta reda på om han kunde skapa en syntetisk form av ognitit, och även för att syntetisera andra mineralprover.

"Professor Winkler har en gedigen bakgrund och ordentliga faciliteter i sitt labb för att syntetisera nya föreningar som är analoga med potentiellt nya mineraler, " sa Barkov. Winkler hade redan etablerat ett samarbete med Tamura, och Barkov nådde sedan ut till Tamura om möjligheten att studera ognititprovet vid ALS.

Dejoie, som hjälpte till att utveckla dataanalysmetoderna för att stödja användningen av ALS-tekniken för att studera strukturen hos små kristaller, har återvänt till ALS nästan varje år för att utföra experiment med denna teknik, och att förbättra dataanalysmetoderna. Hon sa att hon i sin egen forskning nu använder tekniken för tidsupplösta experiment som spårar hur material övergår från ett materiatillstånd till ett annat.

Medan röntgen Laue mikrodiffraktion inte är unik bland synkrotronljuskällorna i världen, Dejoie och Tamura noterade att dess specialiserade tillämpning vid ALS och mognad av dess dataanalysmetoder är unika.

"Vi började titta på riktigt små kristaller - kristaller som du inte kan titta på med en klassisk uppsättning, " mindes Dejoie.

Växande intresse

Hon noterade att tekniken kan användas för att lösa tidpunkten för processer som kemiska reaktioner och strukturella förändringar i material.

Laue mikrodiffraktionsteknik som hon arbetade med på ALS "är ett riktigt intressant alternativ till elektrondiffraktion, "Dejoie sa, eller åtminstone ett kompletterande verktyg för att studera kristallstruktur, eftersom den snabbt kan samla in en hel datauppsättning med hög precision.

Hon noterade att en anpassning av Laue mikrodiffraktion också kan vara användbar för kristallstudier vid ljuskällor som kallas röntgenfri-elektronlasrar (XFEL), som har ultrakort, ljusa pulser.

"Det är roligt att se parallellen - vi använde redan en liknande typ av tillvägagångssätt" för att karakterisera strukturen av kristaller i en enda passage, och utan att behöva rotera dem eller orientera dem på ett speciellt sätt, innan detta prövades i XFEL-studier.

I en XFEL-teknik känd som "seriell kristallografi, "många kristallprover strömmas in på vägen för smal energi röntgenpulser. I dessa experiment, information samlas in från individuella röntgenpulser som träffar slumpmässigt orienterade kristaller av samma provtyp för att utveckla en omfattande 3D-atomstruktur.

Dejoie fungerade som huvudförfattare till en studie från 2015 som beskriver hur Laue-diffraktionstekniken för att använda en X-puls med bred energi för att slå enstaka eller flera slumpmässigt orienterade kristaller samtidigt kan anpassas för användning på XFEL som en ny "ögonblicksbild" -metod för konventionella seriell kristallografi.

Det är glädjande, Hon sa, att lära sig att den synkrotronbaserade tekniken för Laue mikrodiffraktion som hon arbetade för att utveckla vid ALS var till hjälp för att bekräfta ett nytt mineral. "Det är alltid bra när du ser något du har arbetat med att få lite intresse. Det betyder att det sprider sig, och att det kan bli lite mer utveckling och fler som jobbar med det."

ALS och NERSC är båda DOE Office of Science User Facilities.

Teamet som deltog i ognititupptäckten inkluderade också forskare från universitetet utanför Florens i Italien, Siberian Federal University i Ryssland, McGill University i Kanada, och Natural History Museum i Storbritannien. ALS stöds av DOE Office of Basic Energy Science. Individer som deltog i studien fick stöd, till viss del, av Russian Foundation for Basic Research och Storbritanniens Natural Environment Research Council.