Pour les géoscientifiques, regarder comment les minéraux réagissent dans différentes conditions peut fournir de nombreuses informations sur les caractéristiques des matériaux qui composent notre monde. Dans certains cas, le simple fait d'exposer des minéraux à des environnements à base d'eau peut donner des propriétés et des résultats intéressants.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont placé de petites particules d'oxyde de fer dans une solution acide, provoquant l'oxydation des atomes de fer à la surface des particules. Au fur et à mesure que la réaction progressait, les chercheurs ont observé une tension qui s'accumulait et pénétrait à l'intérieur de la particule minérale.

"Ce qui est vraiment nouveau dans ce travail, c'est que nous le faisons avec des minéraux géologiques qui peuvent avoir des morphologies irrégulières, par opposition aux particules idéalisées avec des formes bien définies. C'est une nouvelle application de ces outils pour comprendre comment [l'oxydation] se produit dans les minéraux de taille nanométrique, " a déclaré Paul Fenter, Physicien d'Argonne.

La forme des particules contrôlait le degré et le type de contrainte, a déclaré le physicien d'Argonne Paul Fenter. "Quand on regarde comment les choses réagissent, nous ne nous soucions généralement pas tant de la forme ou de la morphologie du matériau. Dans ce cas, on a un résultat dans lequel la répartition spatiale de la réactivité au sein de la particule n'est pas uniforme, que nous pensons être finalement contrôlé par sa taille et sa forme, " il a dit.

En regardant les particules d'oxyde de fer, également connu sous le nom de magnétite, Fenter et ses collègues ont observé la formation d'hématite, une réaction qui commence à la surface des particules. "Essentiellement, ce qui se passe, c'est que nous passons d'un type de rouille à un autre type de rouille, " a déclaré le chercheur postdoctoral Ke Yuan, le premier auteur de l'étude.

Lorsque les chercheurs ont observé les changements dans la particule causés par l'oxydation, ils ont observé une déformation qui a pénétré à l'intérieur du matériau, ainsi que l'apparition de défauts isolés. "Nous nous éloignons d'une compréhension de ces réactions qui se produisent uniformément dans un gros bloc de matériau vers une compréhension plus sophistiquée de la façon dont la forme et la morphologie des particules peuvent modifier et influencer le déroulement d'une réaction, ", a déclaré Fenter.

"Même si ces particules sont toutes de la magnétite, ils réagissent tous de manière quelque peu différente, et c'est donc un défi pour comprendre comment les réactions se déroulent dans des systèmes où vous avez différentes micro- et nanostructures des particules, " ajouta Yuan.

Pour identifier les distributions de contraintes dans le matériau, les chercheurs ont utilisé une technique appelée imagerie par diffraction cohérente (CDI), ce qui leur a permis de scruter le réseau atomique du matériau. Utilisation du CDI à la source de photons avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, les scientifiques ont pu détecter une petite réduction de l'espacement du réseau - moins d'un pour cent - en raison de l'oxydation du fer. Cette petite différenciation dans l'espacement du réseau était répartie de manière inégale dans les particules d'oxyde de fer; les chercheurs pensent qu'il est responsable de la création des défauts observés par les scientifiques.

"La capacité de l'APS à fournir des rayons X brillants et cohérents le rend unique pour ce type d'expérience, " a déclaré Wonsuk Cha, scientifique de la ligne de lumière de l'APS. " En générant des rayons X hautement pénétrants avec un flux cohérent substantiel, puis en les combinant avec une instrumentation d'imagerie à rayons X dédiée, nous pouvons cartographier la structure interne et la déformation des matériaux en 3D avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique et une sensibilité atomique."

Selon Fenter, appliquer le CDI au réel, matériaux géochimiquement pertinents représente un bond en avant pour la technique. "Ce qui est vraiment nouveau dans ce travail, c'est que nous le faisons avec des minéraux géologiques qui peuvent avoir des morphologies irrégulières, par opposition aux particules idéalisées aux formes bien définies, " Il a dit. " C'est une nouvelle application de ces outils pour comprendre comment ce comportement se produit dans les minéraux de taille nanométrique. "

"C'est un bon système modèle pour les systèmes naturels, " a ajouté Yuan. " Cela nous donne un bon moyen de comprendre la réactivité des systèmes naturels complexes. "

Fenter a expliqué que les résultats pourraient avoir une pertinence plus large pour la communauté géoscientifique. Les futures études qui examinent comment les ions se lient à la surface d'un minéral pourraient être affectées par la contrainte, même lorsque cette contrainte provient de l'intérieur du matériau, il a dit.

Un article basé sur l'étude, "Souche et défauts induits par l'oxydation dans les cristaux de magnétite, " paru dans le numéro du 11 février de Communication Nature .