Les minéraux qui composent les roches et les sols sont déséquilibrés lorsque la chimie de leur environnement change. Les changements de pH ou la concentration d'ions dans l'eau font dissoudre les minéraux, grandir, ou réagir autrement. Ces réactions sont influencées par la disposition des atomes à l'interface, là où les minéraux et l'eau se touchent. Historiquement, il a été difficile d'étudier ces structures pendant que les réactions se déroulent car l'interface change constamment, limitant notre compréhension de la façon dont les structures contrôlent la vitesse de réaction.

Maintenant, une équipe dirigée par le Dr Kevin Rosso du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE a réalisé la première vue en 3D de la structure atomique à l'interface de l'eau et de l'hématite minérale au fur et à mesure que les réactions se produisent. La nouvelle vue a montré comment la structure interfaciale est différente pendant qu'elle réagit, et comment ces différences pourraient contrôler le flux d'ions dans l'environnement.

Qu'il soit utilisé pour faire pousser des cultures ou qu'il soit séparé pour fabriquer de l'hydrogène, modéliser avec précision le comportement de l'eau est vital. Ce travail est la première étude systématique des minuscules structures qui se forment à l'interface de l'eau et de l'abondante hématite minérale riche en fer lorsque cette interface est loin de l'équilibre. La recherche offre des informations clés sur l'interface et les conditions éloignées de l'équilibre qui influencent l'interface.

"Ces mesures précises nous aideront à construire de meilleurs modèles de réactions vitales pour la qualité des eaux souterraines, séparation solaire de l'eau, et beaucoup plus, " a déclaré le Dr Martin McBriarty, un géoscientifique du PNNL sur le projet.

Les minéraux qui composent les roches et les sols sont souvent en déséquilibre avec leur environnement, d'autant plus que les conditions environnementales changent. Les minéraux réagissent en se dissolvant, croissance, ou transférer la charge avec leur environnement. Ces processus sont influencés par la structure à l'échelle atomique à leur interface avec l'eau. Souvent, la seule façon d'étudier ces structures est lorsque l'interface ne change pas.

Maintenant, des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory du DOE et de l'Université de Chicago ont obtenu la première vue en 3D de la structure atomique à l'interface de l'eau et de l'hématite minérale tandis que l'hématite agit comme une électrode. L'équipe a vu comment les atomes à la surface de l'hématite et les molécules d'eau à proximité réagissaient à des conditions éloignées de l'équilibre causées par la charge électrique de l'interface. Lorsque la surface était chargée négativement, certaines molécules d'eau se sont collées à la surface, tandis que d'autres molécules d'eau se sont désordonnées et se sont éloignées de la surface.

Que signifient ces changements structurels ? Le flux de charge électrique et d'ions est contrôlé par la structure tandis que l'interface est chargée, et la liaison plus forte des molécules d'eau à la surface pourrait expliquer pourquoi l'hématite se dissout plus lentement que prévu.

L'approche de l'équipe pour résoudre ces structures éloignées de l'équilibre pourrait être utilisée pour étudier d'autres interfaces. Il s'agit de la première étude systématique de la structure à l'échelle atomique à nanométrique d'une interface commune eau minérale en équilibre loin de l'équilibre. La recherche offre une avancée majeure pour modéliser avec précision les réactions importantes pour tout, de la qualité des eaux souterraines, à l'extraction d'énergie du sous-sol, au fractionnement solaire de l'eau.