Dos esplendorosos tons de vermelho no Grand Canyon à ferrugem mundana atacando uma bicicleta abandonada, hidróxidos de ferro estão ao nosso redor. De fato, eles são tão comuns quanto o quartzo, que é o mineral mais amplamente distribuído do planeta.

Os cientistas sabem que os hidróxidos de ferro podem capturar metais pesados ​​e outros materiais tóxicos, e que os óxidos de ferro também podem ser semicondutores naturais. Embora essas propriedades sugiram muitas aplicações, todos os detalhes de como os hidróxidos de ferro se formam em um substrato de quartzo foram ocultados em uma espécie de "caixa preta" - até agora.

Young-Shin Jun, um professor de energia, engenharia ambiental e química na McKelvey School of Engineering da Washington University em St. Louis, inventou uma maneira de abrir essa caixa e observar o momento em que o hidróxido de ferro se forma no quartzo.

Sua pesquisa foi publicada em Ciência e Tecnologia Ambiental .

"Isso conta a história do nascimento do hidróxido de ferro, "Jun disse.

Quando as pessoas falam de "formação, "normalmente, eles estão falando sobre o crescimento de uma substância. Antes do crescimento, Contudo, precisa haver algo para crescer. De onde vem essa primeira porção de hidróxido de ferro?

Primeiro, elementos precursores suficientes precisam estar no lugar. Em seguida, os componentes podem se juntar para formar um núcleo estável que vai se tornar uma minúscula partícula sólida de hidróxido de ferro, chamado de particulado em nanoescala. O processo é denominado nucleação sólida.

A ciência tem um controle firme sobre a soma desses dois processos - nucleação e crescimento, juntos são conhecidos como "precipitação" - e sua soma foi usada para prever o comportamento de formação do hidróxido de ferro. Mas essas previsões omitiram amplamente a consideração separada da nucleação. Os resultados "não foram precisos o suficiente, "Jun disse." Nosso trabalho fornece um empírico, descrição quantitativa da nucleação, não um cálculo, para que possamos fornecer evidências científicas sobre esse elo perdido. "

Esta contribuição abre muitas possibilidades importantes. Podemos entender melhor a qualidade da água em locais de drenagem ácida de mina, reduzir a incrustação da membrana e a formação de escala de tubulação, e desenvolver materiais supercondutores mais ecológicos.

Jun foi capaz de olhar para dentro da caixa preta de precipitação usando raios-X e uma nova célula experimental que ela desenvolveu para estudar sistemas complexos ambientalmente relevantes com bastante água, íons e material de substrato, observando a nucleação em tempo real.

Trabalhando na Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional de Argonne em Lemont, Illinois, Jun empregou uma técnica de espalhamento de raios-X chamada "espalhamento de raios-X de baixo ângulo de incidência rasante". Ao projetar raios-X em um substrato com um ângulo muito raso, perto do ângulo crítico que permite a reflexão total da luz, esta técnica pode detectar a primeira aparição de partículas de tamanho nanométrico em uma superfície.

A abordagem é tão nova, Jun disse, que quando ela discute o trabalho de seu laboratório sobre nucleação, "As pessoas pensam que estamos fazendo modelagem por computador. Mas não, estamos examinando experimentalmente no momento em que acontece, "disse ela." Somos observadores experimentais. Posso medir o ponto inicial de nucleação. "

Seu método empírico revelou que as estimativas gerais que os cientistas têm usado exageram a quantidade de energia necessária para a nucleação.

"O hidróxido de ferro se forma muito mais facilmente em superfícies minerais do que os cientistas pensavam, porque menos energia é necessária para a nucleação de sólidos altamente hidratados nas superfícies, "Jun disse.

Além disso, ter um valor preciso também ajudará a melhorar os modelos de transporte reativo - o estudo do movimento de materiais através de um ambiente. Por exemplo, certos materiais podem sequestrar metais tóxicos, impedindo-os de entrar em cursos de água. Um modelo de transporte reativo atualizado com informações de nucleação mais precisas terá implicações significativas para os pesquisadores de qualidade da água que trabalham para prever e controlar melhor as fontes de poluição. "O hidróxido de ferro é o principal repositório de sequestro para esses contaminantes, "Jun disse, "e saber sua origem é fundamental para prever seu destino."

Para instalações de manufatura de alta tecnologia, ter uma compreensão mais precisa de como os óxidos ou hidróxidos de ferro se formam permitirá uma produção mais eficiente - com menos desperdício - de supercondutores à base de ferro.