В новом исследовании U.S. В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) ученые поместили маленькие частицы оксида железа в кислый раствор, что вызвало окисление атомов железа на поверхности частиц. По мере развития реакции исследователи наблюдали напряжение, которое накапливалось и проникало внутрь минеральной частицы.
По словам аргонского физика Пола Фентера, форма частиц контролирует степень и тип деформации. "Когда мы смотрим на то, как вещи реагируют, мы обычно не так сильно беспокоимся о форме или морфологии материала.
В этом случае мы имеем результат, в котором пространственное распределение реактивности внутри частицы неоднородно, что, как мы думаем, в конечном итоге определяется ее размером и формой », – сказал он.
Глядя на частицы оксида железа, также известные как магнетит, Фентер и его коллеги наблюдали образование гематита, реакцию, которая начинается на поверхности частицы. «По сути, происходит то, что мы переходим от одного вида ржавчины к ржавчине другого типа», – сказал доктор-исследователь Кэ Юань, первый автор исследования.
Когда исследователи наблюдали изменения в частице, вызванные окислением, они наблюдали деформацию, проникающую внутрь материала, а также появление отдельных дефектов. «Мы уходим от понимания того, что эти реакции происходят равномерно в одном большом скоплении материала, к более сложному пониманию того, как форма и морфология частиц могут изменяться и влиять на протекание реакции», – сказал Фентер.
«Несмотря на то, что все эти частицы являются магнетитом, все они реагируют по-разному, и поэтому это проблема для понимания того, как реакции протекают в системах, где у вас есть разные микро- и наноструктуры частиц», – добавил Юань.
Чтобы определить распределение деформации в материале, исследователи использовали метод, называемый когерентной дифракционной визуализацией (CDI), который позволил им заглянуть в атомную решетку материала. Используя CDI в аргоннском Advanced Photon Source (APS), учреждении Министерства энергетики США, ученые смогли обнаружить небольшое уменьшение расстояния между решетками – менее одного процента – в результате окисления железа.
Эта небольшая дифференциация периода решетки была неравномерно распределена по всем частицам оксида железа; исследователи считают, что он несет ответственность за создание дефектов, которые наблюдали ученые.
«Способность APS обеспечивать великолепное когерентное рентгеновское излучение делает его уникальным для такого рода экспериментов», – сказал ученый, работающий в области лучевой терапии APS Вонсук Ча. «Создавая рентгеновские лучи с высокой проникающей способностью и значительным когерентным потоком, а затем комбинируя их со специальными рентгеновскими приборами, мы можем отображать внутреннюю структуру и деформацию материалов в 3D с наномасштабным пространственным разрешением и атомной чувствительностью."
По словам Фентера, применение CDI к реальным, геохимически значимым материалам представляет собой шаг вперед в развитии этой техники. «Что действительно ново в этой работе, так это то, что мы делаем ее с геологическими минералами, которые могут иметь неправильную морфологию, в отличие от идеализированных частиц с четко определенной формой», – сказал он. "Это новое приложение этих инструментов, чтобы понять, как такое поведение происходит в наноразмерных минералах."
«Это хорошая модельная система для природных систем», – добавил Юань. "Это дает нам хороший способ понять реакционную способность сложных природных систем."
Фентер объяснил, что результаты могут иметь более широкое значение для геофизического сообщества. По его словам, на будущие исследования, которые изучают, как ионы связываются с поверхностью минерала, может повлиять деформация, даже если эта деформация исходит изнутри материала.