Para geocientistas, observar como os minerais reagem em diferentes condições pode fornecer uma grande quantidade de informações sobre as características dos materiais que constituem o nosso mundo. Em alguns casos, a simples exposição de minerais a ambientes à base de água pode produzir propriedades e resultados interessantes.

Em um novo estudo do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os cientistas colocaram pequenas partículas de óxido de ferro em uma solução ácida, causando a oxidação dos átomos de ferro na superfície das partículas. À medida que a reação progredia, os pesquisadores observaram a tensão que se acumulou e penetrou dentro da partícula mineral.

"O que é realmente novo neste trabalho é que o estamos fazendo com minerais geológicos que podem ter morfologias irregulares, em oposição a partículas idealizadas com formas bem definidas. É uma nova aplicação dessas ferramentas para entender como a [oxidação] acontece em minerais nanométricos, "disse Paul Fenter, Físico Argonne.

A forma das partículas controlava o grau e tipo de deformação, disse o físico de Argonne, Paul Fenter. "Quando olhamos como as coisas reagem, não nos preocupamos tanto com a forma ou morfologia do material. Nesse caso, temos um resultado em que a distribuição espacial da reatividade dentro da partícula não é uniforme, que achamos que é basicamente controlado por seu tamanho e forma, " ele disse.

Ao olhar para as partículas de óxido de ferro, também conhecido como magnetita, Fenter e seus colegas observaram a formação de hematita, uma reação que começa na superfície da partícula. "Essencialmente, o que está acontecendo é que estamos mudando de um tipo de ferrugem para um tipo diferente de ferrugem, "disse o pesquisador de pós-doutorado Ke Yuan, o primeiro autor do estudo.

Quando os pesquisadores observaram as mudanças na partícula causadas pela oxidação, eles observaram a tensão que penetrou dentro do material, bem como o aparecimento de defeitos isolados. "Estamos nos afastando de uma compreensão dessas reações como ocorrendo uniformemente em um grande aglomerado de material em direção a uma compreensão mais sofisticada de como a forma e a morfologia das partículas podem alterar e influenciar como uma reação ocorre, "Fenter disse.

"Mesmo que essas partículas sejam todas de magnetita, todos eles reagem de maneiras um tanto diferentes, e, portanto, este é um desafio para entender como as reações ocorrem em sistemas onde você tem diferentes micro e nanoestruturas das partículas, "Yuan acrescentou.

Para identificar as distribuições de deformação no material, os pesquisadores usaram uma técnica chamada imagem de difração coerente (CDI), o que lhes permitiu perscrutar a estrutura atômica do material. Usando CDI na Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), um DOE Office of Science User Facility, os cientistas foram capazes de detectar uma pequena redução no espaçamento da rede - menos de um por cento - como resultado da oxidação do ferro. Essa pequena diferenciação no espaçamento da rede foi espalhada de forma desigual pelas partículas de óxido de ferro; os pesquisadores acreditam que ela seja responsável por criar os defeitos que os cientistas observaram.

"A capacidade do APS de fornecer raios-X coerentes e brilhantes o torna único para este tipo de experimento, "disse o cientista da linha de luz da APS Wonsuk Cha." Ao gerar raios-X altamente penetrantes com fluxo coerente substancial, e, em seguida, combiná-los com instrumentação de imagem de raios-X dedicada, podemos mapear a estrutura interna e deformação em materiais em 3-D com resolução espacial em nanoescala e sensibilidade atômica. "

De acordo com Fenter, aplicando CDI ao real, materiais geoquimicamente relevantes representam um salto em frente para a técnica. "O que é realmente novo neste trabalho é que o estamos fazendo com minerais geológicos que podem ter morfologias irregulares, em oposição a partículas idealizadas com formas bem definidas, ", disse ele." É uma nova aplicação dessas ferramentas para entender como esse comportamento acontece em minerais de tamanho nano. "

"É um bom sistema modelo para sistemas naturais, "Yuan acrescentou." Isso nos dá uma boa maneira de entender a reatividade de sistemas naturais complexos. "

Fenter explicou que as descobertas podem ter relevância mais ampla para a comunidade de geociências. Estudos futuros que examinam como os íons se ligam à superfície de um mineral podem ser afetados pela tensão, mesmo quando essa deformação se origina do interior do material, ele disse.

Um artigo baseado no estudo, "Deformação induzida por oxidação e defeitos nos cristais de magnetita, "apareceu na edição de 11 de fevereiro da Nature Communications .