Os minerais que constituem as rochas e os solos são desequilibrados quando a química do ambiente muda. Mudanças no pH ou na concentração de íons na água fazem os minerais se dissolverem, crescer, ou reagir de outras maneiras. Essas reações são influenciadas pelo arranjo dos átomos na interface - onde os minerais e a água se tocam. Historicamente, tem sido difícil estudar essas estruturas enquanto as reações ocorrem porque a interface está em constante mudança, limitando nossa compreensão de como as estruturas controlam a velocidade de reação.

Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Kevin Rosso no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE alcançou a primeira visão 3-D da estrutura atômica na interface da água e do mineral hematita conforme as reações ocorrem. A nova visão mostrou como a estrutura interfacial é diferente enquanto está reagindo, e como essas diferenças podem controlar o fluxo de íons no ambiente.

Quer seja usado para cultivar safras ou dividido para fazer combustível de hidrogênio, modelar com precisão o comportamento da água é vital. Este trabalho é o primeiro estudo sistemático das minúsculas estruturas que se formam na interface entre a água e a abundante hematita mineral rica em ferro quando essa interface está longe do equilíbrio. A pesquisa oferece insights importantes sobre a interface e as condições distantes do equilíbrio que influenciam a interface.

"Essas medições precisas nos ajudarão a construir melhores modelos de reações vitais para a qualidade da água subterrânea, divisão solar da água, e muito mais, "disse o Dr. Martin McBriarty, um geocientista PNNL no projeto.

Os minerais que compõem as rochas e os solos muitas vezes estão fora de equilíbrio com seus arredores, especialmente à medida que as condições ambientais mudam. Os minerais respondem dissolvendo-se, crescente, ou transferindo carga com seu ambiente. Esses processos são influenciados pela estrutura da escala atômica em sua interface com a água. Freqüentemente, a única maneira de estudar essas estruturas é quando a interface não está mudando.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do DOE e da Universidade de Chicago obtiveram a primeira visão 3-D da estrutura atômica na interface da água e do mineral hematita, enquanto a hematita atua como um eletrodo. A equipe viu como os átomos na superfície da hematita e as moléculas de água nas proximidades responderam a condições distantes do equilíbrio causadas pela carga elétrica da interface. Quando a superfície estava carregada negativamente, algumas moléculas de água ficaram presas à superfície, enquanto outras moléculas de água se desordenaram e se afastaram da superfície.

O que essas mudanças estruturais significam? O fluxo de carga elétrica e íons são controlados pela estrutura enquanto a interface é carregada, e a ligação mais forte das moléculas de água na superfície pode explicar por que a hematita se dissolve mais lentamente do que o previsto.

A abordagem da equipe para resolver essas estruturas distantes do equilíbrio pode ser usada para estudar outras interfaces. Este é o primeiro estudo sistemático da estrutura em escala atômica para nano de uma interface mineral-água comum posicionada longe do equilíbrio. A pesquisa oferece um grande avanço para modelar com precisão reações importantes para tudo, desde a qualidade da água subterrânea, à extração de energia do subsolo, à divisão solar da água.