Tuning av partiklarna innebär inte tillsats av mer järn, men hellre, tvingar järnet i partiklarna att bli reaktivt eller passivt. Här, mikroskopiska bilder av järnpartiklar och omfattande tester visar att det passiva järnet blir reaktivt, snarare än att tillsätta mer järn.
(Phys.org) - För att förstå hur underjordiska föroreningar reagerar med magnetit och andra mineraler, forskare behöver en lättanvänd mineral stand-in. Ett internationellt team ledd av Pacific Northwest National Laboratory skapade analoga partiklar med exakt avstämda mängder relativt reaktivt järn, eller Fe (II), och mindre reaktivt järn, Fe (III), för att matcha naturliga förhållanden. Stämning av detta Fe (II)/Fe (III) -förhållande ringer i önskad mängd järnreaktivitet. För att testa deras process, laget skapade små järnoxid sfärer som liknar magnetit, utom med titan tillsatt för att kontrollera Fe (II)/Fe (III) -förhållandet direkt.
"Detta nanopartikelsystem låter oss finjustera järnet på ett förutsägbart sätt och bestämma reaktiviteten systematiskt, "sade doktor Carolyn Pearce, en PNNL -geokemist som ledde studien.
Geokemister vill veta hur föroreningar, såsom technetium, interagera med den reaktiva fraktionen av mineraler på tidigare kärnvapenplatser. Men, för att upptäcka denna typ av komplexa problem behöver forskarna väldefinierade prover som de kan analysera i laboratoriet. Dessa nya partiklar verkar vara goda undersökningar för dessa mineraler. Partiklarna är också av intresse för utveckling av järnbaserade vätskor, banbrytande cancerterapi, drogleverans, kemiska sensorer, katalytisk aktivitet, fotoledande material, och mer traditionell användning inom datalagring.
"PNNL:s material har redan använts i nästa generations bioanalyser för upptagning av cellulär nanopartikel, "sade Pearce." Deras förmåga att utbyta elektroner med ämnen i vätskan som omger dem gör dem till en spännande möjlighet även för en mängd olika saneringsanvändningar. "
När den placeras i en spädning, lite sur vätska, det reaktiva järnet i partiklarna rör sig till ytan och sedan ut i miljön, där den reagerar.
Teamet syntetiserade partiklarna på en bänkskiva med enkel vattenhaltig kemi men innehållande exakta mängder titan dopat i deras kristallstrukturer, som ställer in förhållandet Fe (II)/Fe (III). Teamet utförde och rapporterade en omfattande uppsättning spektroskopiska och mikroskopiska studier på dessa partiklar om allt från deras atomstruktur till deras former och reaktivitet.
"Att skapa partiklarna på en bänkskiva gör det enkelt, men att förstå vad du har i detalj kräver mycket karaktärisering och verktyg, "sade Pearce." Med sviten av instrument nu tillgängliga, här i EMSL och vid synkrotronanvändaranläggningar, vi kunde driva denna grundvetenskap till en aldrig tidigare skådad nivå. "
Efter att ha utfört grundläggande kemiska tester, laget vände sig till mikro-röntgendiffraktion på vattenhaltiga suspensioner av nanopartikeln för att titta på den lådliknande strukturen för partikelns atomer. Denna diffraktionsteknik visade också att laget endast kunde syntetisera partiklar upp till en viss nivå av titan vid rumstemperatur.
Nästa, laget karakteriserade partiklarna Mössbauer-spektroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi med hårda röntgenstrålar, vilket gjorde att de kunde undersöka partiklarnas inre. De använde sedan mjukare, mindre invasiva röntgenstrålar vid synkrotronen för att få information om partiklarnas ytor, där mycket av kemin utspelar sig.
De använde ett transmissionselektronmikroskop för att se partiklarnas kristallinitet och morfologi. De fann att partiklarna i allmänhet var sfäriska men med några kristallfasetter och en diameter på 10 till 12 nanometer i genomsnitt.
Sedan, laget satte partiklarna i ett mer utspädd system och körde alla tester igen, ge laget en före och efter titt på partiklarna. Resultaten gav laget kompositionen, strukturera, och magnetiska egenskaper hos titanomagnetitpartiklarna, med skillnader mellan hur partiklarna beter sig inuti relativt sina ytor. De fann att i en lätt sur eller protonrik vätska, Fe (II) rör sig från partikelns inre till ytan till lösningen.
"Det är verkligen svårt att spåra järnrörelsen i prover, särskilt i de få atomlagren nära ytan, "sa Dr Kevin Rosso, som leder Geochemistry -gruppen vid PNNL och arbetat med denna studie. "Men, i det här systemet gjorde vi just det. "
Genom att bestämma de komplexa formler som förklarar hur nanopartiklarna beter sig med olika nivåer av järn, laget tar nu den informationen och jämför den med beteendet hos titanomagnetit som finns på Hanford -webbplatsen. Dessa jämförelser hjälper forskare att bättre förutsäga hur naturmaterialet kommer att bete sig när det möter olika typer av avfall under tusentals år.
