Man kan lätt se med blotta ögat att att lämna en gammal spik ute i regnet orsakar rost. Vad som kräver de mikroskopiska och spektroskopiska skarpa ögonen och känsliga näsan är att observera hur järn korroderar och bildar nya mineraler, särskilt i vatten med en nypa natrium och kalcium.

Tack vare en ny teknik utvecklad av kemister vid Michigan Technological University, de inledande stadierna av denna process kan studeras mer detaljerat med ytanalys. Laget, ledd av Kathryn Perrine, biträdande professor i kemi, publicerade nyligen sin senaste artikel i Journal of Physical Chemistry A .

Gruppens huvudsakliga upptäckt är att katjonen i lösning - positivt laddade natrium- eller kalciumjoner - påverkar typen av karbonatfilmer som odlas när de utsätts för luft, som består av atmosfäriskt syre och koldioxid. Den gradvisa exponeringen av syre och koldioxid producerar karbonatfilmer specifika för katjonen. Järnhydroxiderna i olika former och morfologier är utan gradvis luftexponering, inte specifikt för katjonen.

En bättre förståelse av denna process och hur snabbt mineralerna bildar öppnar möjligheter för övervakning av koldioxidavskiljning, biprodukter av vattenkvalitet och förbättrad infrastrukturhantering för gamla broar och rör.

Metodik Gå tvärvetenskapligt

Även om rost och relaterade järnmineraler är en välkänd del av livet på jordens yta, miljöerna de bildar sig i är ganska komplexa och varierade. Rost består vanligtvis av järnoxider och järnhydroxider, men korrosion kan också leda till järnkarbonat och annan mineralbildning. För varje formulär det är svårt att förstå de bästa förutsättningarna för att förhindra eller odla det. Perrine pekar på stora miljöfrågor som flintvattenkrisen som ett exempel på hur något så enkelt som rost så lätt kan glida in i mer komplicerat, oönskade efterföljande reaktioner.

"Vi vill mäta och avslöja kemiska reaktioner i verkliga miljöer, "Sa Perrine, tillägger att hennes team fokuserar specifikt på ytkemi, de tunna skikten och filmerna där vatten, metall och luft interagerar alla. "Vi måste använda en hög [yta] -känslighet i våra analysverktyg för att få tillbaka rätt information så att vi verkligen kan säga vad som är ytmekanismen och hur [järn] omvandlas."

Att studera materialets ytvetenskap är i sig tvärvetenskapligt; från materialvetenskap till geokemi, från anläggningsteknik till kemi, Perrine ser sitt arbete som en bro som hjälper andra discipliner att bättre informera sina processer, modeller, interventioner och innovationer. För att göra det krävs hög precision och känslighet i gruppens forskning.

Medan andra metoder för övervakning av ytkorrosion och filmtillväxt existerar, Perrines laboratorium använder en ytkemisk metod som kan anpassas för att analysera andra reduktions- och oxidationsprocesser i komplexa miljöer. I en serie papper, de granskade sin trestegsprocess-bedömde förändringar i elektrolytkompositionen och använde syre och koldioxid från luft som reaktant, att observera realtidsbildning av de olika mineralerna som observerats vid gränssnittet luft-vätska-fast.

Exakta mätningar är molekylära linserna för att se kemi

Analysteknikerna som teamet använder är ytkänsliga tekniker:polariserad modulerad-infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi (PM-IRRAS), dämpad total reflektans-Fourier transform infraröd (ATR-FTIR) spektroskopi, Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och atomkraftsmikroskopi (AFM).

"Spektroskopin berättar för oss kemin; mikroskopin berättar för oss de fysiska förändringarna, "Sa Perrine." Det är verkligen svårt att [avbilda] dessa korrosionsförsök [i realtid med AFM] eftersom ytan ständigt förändras, och lösningen förändras under korrosion. "

Vad bilderna avslöjar är en sekvens av grop, tugga och försämra ytan, känd som korrosion, som producerar kärnbildningsställen för tillväxt av mineraler. Den viktigaste delen är att titta på de inledande stadierna som en funktion av tiden.

"Vi kan se korrosion och filmtillväxt som en funktion av tiden. Kalciumklorid [lösning] tenderar att korrodera ytan snabbare, eftersom vi har fler kloridjoner, men har också en snabbare karbonatbildning, "Sa Perrine, tillade att i en video spelade hennes labb in, det är möjligt att se hur natriumkloridlösning korroderar järnytan gradvis och fortsätter att bilda rost när lösningen torkar.

Hon tillägger att eftersom järn är allestädes närvarande i miljösystem, att sakta ner och noga observera mineralbildning handlar om att justera variablerna i hur det förändras i olika lösningar och exponering för luft.

Teamets ytkatalysmetod hjälper forskare att bättre förstå grundläggande miljövetenskap och andra typer av ytprocesser. Förhoppningen är att deras metod kan hjälpa till att avslöja mekanismer som bidrar till förorenat vatten, hitta sätt att mildra koldioxid, förhindra brokollaps och inspirera till smartare konstruktioner och renare bränslen, samt ge djupare inblick i jordens geokemiska processer.