Des teintes rouges splendides du Grand Canyon à la rouille banale attaquant un vélo négligé, les hydroxydes de fer sont partout autour de nous. En réalité, ils sont aussi communs que le quartz, qui est le minéral le plus répandu sur la planète.

Les scientifiques savent que les hydroxydes de fer peuvent capturer des métaux lourds et d'autres matières toxiques, et que les oxydes de fer peuvent également être des semi-conducteurs naturels. Bien que ces propriétés suggèrent de nombreuses applications, les détails complets de la formation des hydroxydes de fer sur un substrat de quartz ont été cachés dans une sorte de "boîte noire" - jusqu'à maintenant.

Jeune-Shin Jun, professeur d'énergie, génie environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis, a mis au point un moyen d'ouvrir cette boîte et d'observer le moment où l'hydroxyde de fer se forme sur le quartz.

Ses recherches ont été publiées dans Sciences et technologies de l'environnement .

"Ceci raconte l'histoire de la naissance de l'hydroxyde de fer, " dit Jun.

Quand on parle de « formation, " généralement, ils parlent d'une substance en croissance. Avant la croissance, cependant, il faut quelque chose pour grandir. D'où vient ce premier peu d'hydroxyde de fer ?

D'abord, suffisamment d'éléments précurseurs doivent être en place. Ensuite, les composants peuvent se réunir pour former un noyau stable qui deviendra une minuscule particule solide d'hydroxyde de fer, appelée particule nanométrique. Le processus est appelé nucléation solide.

La science a une prise ferme sur la somme de ces deux processus - la nucléation et la croissance, ensemble connu sous le nom de "précipitation" - et leur somme a été utilisée pour prédire le comportement de formation de l'hydroxyde de fer. Mais ces prédictions ont largement omis de considérer séparément la nucléation. Les résultats "n'étaient pas assez précis, " a déclaré Jun. "Notre travail fournit une approche empirique, description quantitative de la nucléation, pas un calcul, afin que nous puissions fournir des preuves scientifiques sur ce chaînon manquant. »

Cette contribution ouvre de nombreuses possibilités importantes. Nous pouvons mieux comprendre la qualité de l'eau sur les sites de drainage minier acide, réduire l'encrassement des membranes et la formation de tartre de pipeline, et développer des matériaux supraconducteurs plus respectueux de l'environnement.

Jun a pu regarder à l'intérieur de la boîte noire des précipitations en utilisant des rayons X et une nouvelle cellule expérimentale qu'elle a développée pour étudier des systèmes complexes pertinents pour l'environnement avec beaucoup d'eau, les ions et le matériau du substrat, observer la nucléation en temps réel.

Travaillant à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne à Lemont, Illinois, Jun a utilisé une technique de diffusion des rayons X appelée "diffusion des rayons X aux petits angles à incidence rasante". En projetant des rayons X sur un substrat avec un angle très faible, proche de l'angle critique qui permet une réflexion totale de la lumière, cette technique permet de détecter la première apparition de particules de taille nanométrique sur une surface.

L'approche est si nouvelle, Jun a dit, que lorsqu'elle parle des travaux de son laboratoire sur la nucléation, "Les gens pensent que nous faisons de la modélisation informatique. Mais non, nous l'examinons expérimentalement au moment où cela se produit, " dit-elle. " Nous sommes des observateurs expérimentaux. Je peux mesurer le point initial de nucléation."

Sa méthode empirique a révélé que les estimations générales utilisées par les scientifiques surestiment la quantité d'énergie nécessaire à la nucléation.

"L'hydroxyde de fer se forme beaucoup plus facilement sur les surfaces minérales que ne le pensaient les scientifiques, parce que moins d'énergie est nécessaire pour la nucléation des solides hautement hydratés sur les surfaces, " dit Jun.

Par ailleurs, avoir une valeur précise contribuera également à améliorer les modèles de transport réactif, c'est-à-dire l'étude du mouvement des matériaux dans un environnement. Par exemple, certains matériaux peuvent séquestrer des métaux toxiques, les empêcher de pénétrer dans les cours d'eau. Un modèle de transport réactif mis à jour avec des informations de nucléation plus précises aura des implications importantes pour les chercheurs en qualité de l'eau qui travaillent à mieux prévoir et contrôler les sources de pollution. « L'hydroxyde de fer est le principal dépôt de séquestration de ces contaminants, " Jun a dit, "et connaître leur origine est essentiel pour prédire leur destin."

Pour les installations de fabrication de haute technologie, avoir une compréhension plus précise de la façon dont les oxydes ou hydroxydes de fer se forment permettra une production plus efficace et moins coûteuse de supraconducteurs à base de fer.