p Como uma pequena agulha em um extenso campo de feno, um único grão de cristal medindo apenas dezenas de milionésimos de metro - encontrado em uma amostra de um poço perfurado na Sibéria Central - tinha uma composição química inesperada. p E uma técnica de raios-X especializada em uso no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) confirmou a exclusividade da amostra e abriu o caminho para seu reconhecimento formal como um mineral recém-descoberto:ognitita.

p Com base neste sucesso com a técnica da Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, a equipe de pesquisa está empregando-o para estudar outras amostras minúsculas de candidatos promissores para novas descobertas minerais. O ALS é um síncrotron que produz raios X e outros tipos de luz para dezenas de experimentos simultâneos.

p "A dificuldade é que esses minerais podem ser extremamente raros e só estão disponíveis em quantidades muito pequenas, "disse Nobumichi Tamura, um cientista da equipe do ALS que ajudou a customizar a técnica experimental - conhecida como microdifração de raios-X Laue (e também difração de raios-X micro-Laue) - para estudar minúsculas amostras de cristal, incluindo minerais. Tamura participou da descoberta do ognitite e agora está trabalhando com a mesma equipe para explorar outras amostras.

p Assumindo os 'casos desesperados'

p A estrutura do mineral ognitita e outras propriedades são detalhadas em um estudo publicado em maio em Revista Mineralogical e também documentado no European Journal of Mineralogy . O estudo também descreve um novo variedade mineral rica em cobalto - descrita como "maucherita de cobalto - que Tamura explorou usando a mesma técnica no ALS.

p "Estamos examinando casos em que nenhuma técnica convencional pode funcionar, "Tamura disse." Estes são os casos desesperados.

p Ele adicionou, "Há anos me interessava desenvolver essa técnica especificamente para identificar novos minerais, porque ocasionalmente há pesquisadores que possuem um material desconhecido que não conseguem resolver usando nenhuma das técnicas mais convencionais. "Nos casos da ognitita e da maucherita cobalto, existem apenas amostras individuais de cada que foram identificadas, Até a presente data.

p A forma de microdifração de Laue de raios-X empregada no ALS usa um feixe de raios-X estreitamente focado que abrange uma gama de energias para explorar a estrutura atômica dos materiais em detalhes requintados. O feixe é focado em cerca de um centésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano.

p A difração de raios-X convencional de cristal único normalmente gira as amostras de cristal em um feixe de raios-X em uma energia específica para ajudar a resolver sua estrutura atômica, Tamura notou.

p Quando as amostras de cristal são tão preciosas e pequenas que os pesquisadores não conseguem extraí-las facilmente dos materiais circundantes sem danificar os cristais, técnicas, incluindo difração de elétrons, difração de raios-X de cristal único, e difração de raios-X em pó estão tipicamente fora de questão.

p A técnica ALS, Enquanto isso, faz a varredura de toda a amostra sem a necessidade de girar o cristal, separe-o de seus arredores, ou prepará-lo de qualquer outra forma para o estudo.

p Toda a verificação é concluída em alguns minutos, embora a análise de dados para esta técnica seja muito mais complexa do que para a difração convencional e requeira poder de computação substancial. Os pesquisadores usam clusters de computador no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional (NERSC) do Berkeley Lab e sua Divisão de Pesquisa Computacional para processar os dados dos experimentos de microdifração de Laue.

p Catherine Dejoie, agora um cientista de linha de luz no European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), foi contratado como pesquisador de pós-doutorado em ALS em 2009, especificamente para desenvolver um método de análise de dados da técnica de microdifração de Laue para resolver a estrutura atômica de materiais. Ela trabalhou em estreita colaboração com Tamura.

p Pistas químicas em amostra minúscula

p Andrei Barkov, diretor do Laboratório de Pesquisa de Mineralogia Industrial e de Minério da Cherepovets State University na Rússia, liderou a equipe internacional que recebeu o crédito pela descoberta do ognitite e foi o principal autor do estudo do ognitite.

p Essa equipe incluía Tamura e Camelia Stan - Stan era um pesquisador da ALS que participou do estudo ognitite, mas desde então deixou o Laboratório de Berkeley. Elise Grenot, um estudante pesquisador da École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA) da França, uma escola de engenharia, agora está ajudando Tamura com a última rodada de experimentos de novos minerais candidatos no ALS.

p Barkov aprendeu sobre a técnica desenvolvida no Berkeley Lab por meio de sua conexão com Björn Winkler, um professor da Goethe University Frankfurt, na Alemanha, que estava familiarizado com a técnica ALS.

p Barkov já havia participado de várias outras descobertas minerais de sucesso, incluindo estudos que levaram ao reconhecimento formal de tatyanaíta, edgarite, laflammeite, e mensikovita como novos minerais. Mas a amostra agora conhecida como ognitito foi um desafio para confirmar como um novo mineral, embora sua química parecesse ser única, Barkov observou.

p "Suspeitava-se que esse mineral era potencialmente novo com base em sua composição, que é extraordinariamente enriquecido em bismuto, "disse ele." Poderíamos encontrar apenas um único espécime, como um grão minúsculo. O grão é tão pequeno - é por isso que as contribuições micro-Laue de Nobu Tamura foram tão importantes. "

p Demorou duas tentativas, incluindo uma rodada de acompanhamento de experimentos no ALS para o segundo esforço, receber o reconhecimento de ognitito como um mineral único da Comissão de Novos Minerais, Nomenclatura e Classificação da International Mineralogical Association (IMA). O IMA relatou 5, 413 minerais reconhecidos em novembro de 2018, e a lista normalmente aumenta em 30 ou mais minerais a cada ano após revisão e aprovação pela comissão.

p Ognitite contém níquel, bismuto, e telúrio. O estudo observa que sua estrutura cristalina é semelhante a um mineral chamado melonita, que também é composto de níquel e telúrio, mas não está associado a uma alta concentração de bismuto. E ognitita é quimicamente semelhante ao mineral telurohauchecornita, que é composto de níquel, bismuto, telúrio, e enxofre.

p Novo mineral é nomeado para complexo mineral de Ognit na Sibéria

p Barkov disse que a primeira escolha da equipe de descoberta de ognitite foi batizá-lo de "baikalite" em homenagem ao Lago Baikal, que fica na região onde o novo mineral foi descoberto, mas este nome não foi aprovado pelo IMA. Em vez disso, a comissão favoreceu o "ognitito", já que a descoberta mineral foi obtida de um local conhecido como complexo ultramáfico de Ognit na região das montanhas Sayan na Sibéria.

p Esta formação geológica é conhecida por ser rica em depósitos de metal, incluindo elementos raros do grupo da platina, níquel, e cromo.

p A amostra de maucherita de cobalto foi recuperada de arsenetos ricos em níquel no mesmo complexo de Ognit, Barkov disse, e mede apenas 20 milionésimos de metro de diâmetro. Por causa de seu tamanho e raridade, "só poderia ser caracterizado estruturalmente" usando a técnica de micro-Laue, ele disse.

p Sua equipe está explorando esse tipo de formação em outras partes da Rússia, e as formações rochosas de interesse particular podem variar em tamanho de cerca de um quilômetro a dezenas de quilômetros, ele disse.

p "Nós coletamos e examinamos, em detalhe, milhares de espécimes de rocha e amostras de minério, e muitos mais grãos minerais, "disse ele." Como resultado desses esforços, grãos únicos de minerais potencialmente novos podem ser encontrados. "

p Sua equipe normalmente usa microscópios ópticos, microscópios eletrônicos de varredura, uma técnica conhecida como espectroscopia de raios-X dispersiva de energia, espectroscopia dispersiva de comprimento de onda, e difração de raios-X convencional para estudar amostras de minerais que foram coletadas ao longo de décadas.

p Da Rússia para o ALS

p Barkov contatou Björn Winkler para descobrir se ele poderia criar uma forma sintética de ognitita, e também para sintetizar outras amostras minerais.

p "O professor Winkler tem uma sólida formação e instalações adequadas em seu laboratório para sintetizar novos compostos que são análogos a minerais potencialmente novos, "Barkov disse. Winkler já havia estabelecido uma colaboração com Tamura, e Barkov então entrou em contato com Tamura sobre a possibilidade de estudar a amostra de ognitita no ALS.

p Dejoie, que ajudou a desenvolver os métodos de análise de dados para apoiar o uso da técnica ALS para estudar a estrutura de cristais minúsculos, retornou ao ALS quase todos os anos para conduzir experimentos usando esta técnica, e melhorar os métodos de análise de dados. Ela disse que em sua própria pesquisa agora está usando a técnica para experimentos resolvidos pelo tempo que rastreiam como os materiais fazem a transição de um estado da matéria para outro.

p Embora a microdifração de Laue de raios-X não seja única entre as fontes de luz síncrotron do mundo, Dejoie e Tamura observaram que sua aplicação especializada no ALS e a maturidade de seus métodos de análise de dados são únicos.

p "Começamos a olhar para cristais realmente pequenos - cristais que você não pode ver com uma configuração clássica, "Dejoie lembrou.

p Interesse crescente

p Ela observou que a técnica pode ser usada para resolver o tempo de processos, como reações químicas e mudanças estruturais nos materiais.

p A técnica de microdifração de Laue que ela trabalhou no ALS "é uma alternativa realmente interessante para difração de elétrons, "Dejoie disse, ou pelo menos uma ferramenta complementar para estudar a estrutura do cristal, já que pode reunir rapidamente um conjunto de dados de alta precisão inteiro.

p Ela observou que uma adaptação da microdifração de Laue também poderia ser útil para estudos de cristal em fontes de luz conhecidas como lasers de elétrons livres de raios-X (XFELs), que tem ultracurto, pulsos brilhantes.

p "É engraçado ver o paralelo - já estávamos usando um tipo de abordagem semelhante" para caracterizar a estrutura dos cristais em uma única passagem, e sem a necessidade de girá-los ou orientá-los de uma maneira particular, antes que isso fosse tentado em estudos XFEL.

p Em uma técnica XFEL conhecida como "cristalografia serial, "muitas amostras de cristal são enviadas para o caminho de pulsos de raios-X de energia estreita. Nesses experimentos, as informações são coletadas de pulsos de raios-X individuais que atingem cristais orientados aleatoriamente do mesmo tipo de amostra para desenvolver uma estrutura atômica 3-D abrangente.

p Dejoie foi a autora principal de um estudo de 2015 detalhando como a técnica de difração de Laue de usar um pulso-X de ampla energia para atingir um ou vários cristais orientados aleatoriamente pode ser adaptada para uso em XFELs como uma nova abordagem de "instantâneo" ao convencional cristalografia serial.

p É gratificante, ela disse, aprender que a técnica baseada em síncrotron para a microdifração de Laue que ela trabalhou para desenvolver no ALS foi útil na confirmação de um novo mineral. "É sempre bom quando você vê algo em que está trabalhando e consegue algum interesse. Isso significa que está se espalhando, e que pode haver um pouco mais de desenvolvimento e mais pessoas trabalhando nisso. "

p O ALS e o NERSC são ambos recursos do DOE Office of Science User.

p A equipe que participou da descoberta de ognitite também incluiu pesquisadores da Universidade de Florença, na Itália, Universidade Federal da Sibéria na Rússia, Universidade McGill no Canadá, e The Natural History Museum no Reino Unido. O ALS é apoiado pelo DOE Office of Basic Energy Science. Os indivíduos que participaram do estudo foram apoiados, em parte, pela Fundação Russa para Pesquisa Básica e pelo Conselho de Pesquisa do Ambiente Natural do Reino Unido.