Le réglage des particules n'implique pas d'ajouter plus de fer, mais plutôt, forçant le fer dans les particules à devenir réactif ou passif. Ici, des images microscopiques de particules de fer et des tests approfondis démontrent que le fer passif devient réactif, plutôt que d'ajouter plus de fer.
(Phys.org)—Pour comprendre comment les polluants souterrains réagissent avec la magnétite et d'autres minéraux, les scientifiques ont besoin d'un substitut minéral facile à utiliser. Une équipe internationale dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory a créé des particules analogues avec des quantités réglées avec précision de fer relativement réactif, ou Fe(II), et moins de fer réactif, Fe(III), pour correspondre aux conditions naturelles. Le réglage de ce rapport Fe(II)/Fe(III) détermine la quantité souhaitée de réactivité du fer. Pour tester leur processus, l'équipe a créé de minuscules sphères d'oxyde de fer similaires à la magnétite, sauf avec du titane ajouté pour contrôler directement le rapport Fe(II)/Fe(III).
"Ce système de nanoparticules nous permet d'affiner le fer de manière prévisible et de déterminer systématiquement la réactivité, " a déclaré le Dr Carolyn Pearce, un géochimiste du PNNL qui a dirigé l'étude.
Les géochimistes veulent savoir comment les contaminants, comme le technétium, interagir avec la fraction réactive des minéraux sur les anciens sites d'armes nucléaires. Mais, pour démêler ce genre de problèmes complexes, les chercheurs ont besoin d'échantillons bien définis qu'ils peuvent analyser en laboratoire. Ces nouvelles particules semblent être de bonnes doublures pour ces minéraux. Les particules présentent également un intérêt pour le développement de fluides à base de fer, une thérapie pionnière contre le cancer, l'administration de médicaments, capteurs chimiques, activité catalytique, matériaux photoconducteurs, et des utilisations plus traditionnelles dans le stockage de données.
« Les matériaux du PNNL ont déjà été utilisés dans des essais biologiques de nouvelle génération pour l'absorption cellulaire de nanoparticules, " a déclaré Pearce. " Leur capacité à échanger des électrons avec des substances dans le liquide qui les entoure en fait également une perspective intrigante pour une multitude d'utilisations correctives. "
Lorsqu'il est placé dans une solution diluée, liquide légèrement acide, le fer réactif dans les particules se déplace vers la surface puis dans l'environnement, où il réagit.
L'équipe a synthétisé les particules sur une paillasse avec une chimie aqueuse simple mais contenant des quantités précises de titane dopé dans leurs structures cristallines, qui ajuste le rapport Fe(II)/Fe(III). L'équipe a réalisé et rapporté un ensemble complet d'études spectroscopiques et microscopiques sur ces particules sur tout, de leur structure atomique à leurs formes et leur réactivité.
« Créer les particules sur une paillasse facilite les choses, mais comprendre ce que l'on a en détail demande beaucoup de caractérisation et d'outils, " dit Pearce. " Avec la suite d'instruments maintenant disponible, ici à l'EMSL et dans les installations des utilisateurs du synchrotron, nous avons pu pousser cette science fondamentale à un niveau sans précédent."
Après avoir effectué des tests chimiques de base, l'équipe s'est tournée vers la micro-diffraction des rayons X sur des suspensions aqueuses de nanoparticule pour examiner la structure en forme de boîte des atomes de la particule. Cette technique de diffraction a également montré que l'équipe ne pouvait synthétiser que des particules jusqu'à un certain niveau de titane à température ambiante.
Prochain, l'équipe a caractérisé la spectroscopie Mössbauer de particules et la spectroscopie photoélectronique aux rayons X avec des rayons X durs, ce qui leur a permis d'examiner l'intérieur des particules. Ils ont ensuite utilisé plus doux, des rayons X moins invasifs au synchrotron pour glaner des détails sur les surfaces des particules, où une grande partie de la chimie a lieu.
Ils ont utilisé un microscope électronique à transmission pour voir la cristallinité et la morphologie des particules. Ils ont découvert que les particules étaient généralement sphériques mais avec quelques facettes cristallines et un diamètre moyen de 10 à 12 nanomètres.
Puis, l'équipe a mis les particules dans un système plus dilué et a refait tous les tests, donnant à l'équipe un aperçu avant et après des particules. Les résultats ont fourni à l'équipe la composition, structure, et les propriétés magnétiques des particules de titanomagnétite, avec des distinctions entre la façon dont les particules se comportent à l'intérieur par rapport à leurs surfaces. Ils ont découvert que dans un liquide légèrement acide ou riche en protons, le Fe(II) se déplace de l'intérieur de la particule à la surface jusqu'à la solution.
"Il est vraiment difficile de suivre le mouvement du fer dans les échantillons, en particulier dans les quelques couches atomiques proches de la surface, " a déclaré le Dr Kevin Rosso, qui dirige le groupe de géochimie au PNNL et a travaillé sur cette étude. "Mais, dans ce système, c'est exactement ce que nous avons fait."
En déterminant les formules complexes qui expliquent le comportement des nanoparticules avec différents niveaux de fer, l'équipe prend maintenant ces données et les compare au comportement de la titanomagnétite trouvée sur le site de Hanford. Ces comparaisons aident les scientifiques à mieux prédire comment le matériau naturel se comportera lorsqu'il rencontrera différents types de déchets sur des milliers d'années.
