Comme le fer circulant dans le sang, les minéraux de fer traversent le sol. Ces minéraux sont utilisés pour fabriquer de l'acier et d'autres alliages métalliques utilisés dans tout, des composants de téléphones portables et des voitures aux bâtiments, équipements et infrastructures industriels.

Malheureusement, lorsqu'il est exposé à l'oxygène et à l'humidité, le fer s'oxyde ou rouille. Et la rouille est implacable.

En savoir plus sur les réactions chimiques qui entraînent et entretiennent la rouille pourrait contenir des indices pour une ingénierie améliorée, matériaux à base de fer. Cela pourrait également conduire à des progrès dans les engrais ou les conditionneurs de sol qui augmentent l'absorption de fer pour la nutrition des plantes.

Des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie rapportent dans le journal PNAS une percée dans la visualisation de la réactivité des minéraux de rouille lorsqu'ils sont privés d'oxygène, tels que ceux sous la surface du sol. En utilisant les isotopes du fer et la tomographie par sonde atomique, ou APT, ils ont tracé ces réactions d'oxydoréduction pour créer les premières « cartes atomiques » en 3D du réarrangement de différents atomes de fer dans un petit cristal d'oxyde de fer.

Les cartes APT ont révélé un cycle du fer étonnamment dynamique, montrant le mouvement continuel du fer sur et hors des surfaces minérales.

"Nous avons vu que les atomes de fer dans l'eau recherchaient et remplissaient spécifiquement de minuscules nids-de-poule, ou défauts, dans les surfaces cristallines, " a déclaré Sandra Taylor, un chercheur associé post-doctoral au sein du Groupe Géochimie du PNNL qui a réalisé les mesures. "Voir ces régions recristallisées à l'échelle atomique nous a montré que la réaction peut efficacement "guérir" les zones endommagées à la surface du cristal, et la croissance est motivée par la perfection."

Kévin Rosso, un chercheur du laboratoire PNNL et chercheur principal de l'étude, affirme que les résultats confirment que les réactions avec les minéraux de rouille dans les sols et les produits de corrosion de l'acier sont plus dynamiques qu'on ne le pense généralement. Ils illustrent comment la rouille persiste sur les tuyaux métalliques dans des conditions chimiques changeantes, lui permettant de se corroder et de se détériorer continuellement au fil du temps.

La découverte a couronné un effort de plusieurs années pour capturer des mesures de composition chimique et des images à l'échelle atomique en 3D à l'aide d'APT. Cette technique sophistiquée et exigeante nécessite une grande habileté pour sonder avec succès les surfaces des nanoparticules d'oxydes de fer. La sonde atomique est située dans le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du DOE Office of Science au PNNL.

"Cette étude établit un nouveau précédent pour caractériser cette importante interface redox, " dit Rosso, ajoutant que les résultats peuvent être utilisés pour mieux comprendre un large éventail de processus. Il s'agit notamment de comprendre comment les cristaux se développent et se dissolvent, et aussi les causes sous-jacentes de la corrosion et la façon dont elle crée de la rouille sur les surfaces, une rouille qui ne dort jamais.