Pode-se ver facilmente a olho nu que deixar um prego velho na chuva causa ferrugem. O que requer olhos atentos e nariz sensível de microscopia e espectroscopia é observar como o ferro corrói e forma novos minerais, especialmente na água com uma pitada de sódio e cálcio.

Graças a uma nova técnica desenvolvida por químicos da Michigan Technological University, os estágios iniciais desse processo podem ser estudados em maiores detalhes com a análise de superfície. O time, liderado por Kathryn Perrine, professor assistente de química, publicou recentemente seu último artigo em The Journal of Physical Chemistry A .

A principal descoberta do grupo é que o cátion em solução - íons de sódio ou cálcio com carga positiva - influencia o tipo de filmes de carbonato que crescem quando expostos ao ar, que é composto de oxigênio atmosférico e dióxido de carbono. A exposição gradual de oxigênio e dióxido de carbono produz filmes de carbonato específicos para o cátion. Os hidróxidos de ferro de diferentes formas e morfologias não apresentam exposição gradual ao ar, não específico para o cátion.

Uma melhor compreensão deste processo e da rapidez com que os minerais se formam abre possibilidades para monitorar a captura de dióxido de carbono, subprodutos da qualidade da água e melhoria da gestão da infraestrutura para pontes e tubulações antigas.

Metodologias vão interdisciplinares

Mesmo que a ferrugem e os minerais de ferro relacionados sejam uma parte bem conhecida da vida na superfície da Terra, os ambientes em que se formam são bastante complexos e variados. A ferrugem é geralmente composta de óxidos de ferro e hidróxidos de ferro, mas a corrosão também pode levar à formação de carbonato de ferro e outros minerais. Para cada formulário, é difícil entender as melhores condições para prevenir ou cultivar. Perrine aponta para as principais questões ambientais, como a crise da água de Flint, como um exemplo de como algo tão simples como a ferrugem pode facilmente se transformar em algo mais complicado, reações subsequentes indesejadas.

"Queremos medir e descobrir reações químicas em ambientes reais, "Perrine disse, acrescentando que sua equipe se concentra especificamente na química de superfície, as camadas finas e filmes onde a água, metal e ar interagem. "Temos que usar um alto nível de sensibilidade [de superfície] em nossas ferramentas de análise para obter as informações corretas de modo que possamos realmente dizer qual é o mecanismo de superfície e como [o ferro] se transforma."

O estudo da ciência da superfície dos materiais é inerentemente interdisciplinar; da ciência dos materiais à geoquímica, da engenharia civil à química, Perrine vê seu trabalho como uma ponte que ajuda outras disciplinas a informar melhor seus processos, modelos, intervenções e inovações. Fazer isso requer alta precisão e sensibilidade nas pesquisas de seu grupo.

Embora existam outros métodos de monitoramento da corrosão da superfície e do crescimento do filme, O laboratório de Perrine usa uma abordagem de química de superfície que pode ser adaptada para analisar outros processos de redução e oxidação em ambientes complexos. Em uma série de artigos, eles examinaram seu processo de três estágios - avaliar as mudanças na composição do eletrólito e usar oxigênio e dióxido de carbono do ar como reagente, para observar a formação em tempo real dos diferentes minerais observados na interface ar-líquido-sólido.

Medições precisas são as lentes moleculares para a química visual

As técnicas de análise que a equipe usa são técnicas sensíveis à superfície:espectroscopia de absorção de reflexão de infravermelho modulado polarizado (PM-IRRAS), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier de refletância total atenuada (ATR-FTIR), Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e microscopia de força atômica (AFM).

"A espectroscopia nos diz a química; a microscopia nos diz as mudanças físicas, "Perrine disse." É realmente difícil [imaginar] esses experimentos de corrosão [em tempo real com AFM] porque a superfície está mudando constantemente, e a solução está mudando durante a corrosão. "

O que as imagens revelam é uma sequência de corrosão, mastigando e degradando a superfície, conhecido como corrosão, que produz locais de nucleação para o crescimento de minerais. O fundamental é observar os estágios iniciais em função do tempo.

“Podemos observar a corrosão e o crescimento do filme em função do tempo. O cloreto de cálcio [solução] tende a corroer a superfície mais rapidamente, porque temos mais íons cloreto, mas também tem uma taxa mais rápida de formação de carbonato, "Perrine disse, adicionando isso em um vídeo que seu laboratório gravou, é possível ver como a solução de cloreto de sódio corrói a superfície do ferro gradualmente e continua formando ferrugem à medida que a solução seca.

Ela acrescenta que, uma vez que o ferro é onipresente nos sistemas ambientais, desacelerar e observar de perto a formação mineral se resume a ajustar as variáveis ​​em como ela se transforma em diferentes soluções e exposição ao ar.

A abordagem de catálise de superfície da equipe ajuda os pesquisadores a entender melhor a ciência ambiental fundamental e outros tipos de processos de superfície. A esperança é que seu método possa ajudar a descobrir mecanismos que contribuem para a poluição da água, encontrar maneiras de mitigar o dióxido de carbono, evitar colapsos de pontes e inspirar designs mais inteligentes e combustíveis mais limpos, além de fornecer uma visão mais profunda dos processos geoquímicos da Terra.