Rost schläft nie
Fäden in Eisenkristallen, die "heilen" können
Wie Eisen, das durch den Blutkreislauf fließt, verlaufen Eisenmineralien durch die Erde. Diese Mineralien werden zur Herstellung von Stahl und anderen Metalllegierungen verwendet, die in allem verwendet werden, von Mobiltelefonkomponenten und Autos bis hin zu Gebäuden, Industrieanlagen und Infrastrukturen.
Mit Hilfe von Eisenisotopen und Atomsonden-Tomographie, kurz APT, erstellen die Wissenschaftler die ersten "3D-Atomkarten" der Neuanordnung verschiedener Eisenatome in einem kleinen Eisenoxidkristall.
PNNL
Leider oxidiert Eisen, wenn es Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt ist, oder rostet. Und Rost ist unerbittlich.
Wenn man mehr über die chemischen Reaktionen weiß, die den Rost antreiben und aufrechterhalten, könnte man Hinweise auf die Entwicklung verbesserter, eisenbasierter Materialien erhalten. Es könnte auch zu Fortschritten bei Düngemitteln oder Bodenkonditionierern führen, die die Eisenaufnahme für die Pflanzenernährung erhöhen.
Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory des Department of Energy berichten in der Zeitschrift PNAS über einen Durchbruch bei der Visualisierung der Reaktivität von Rostmineralien bei Sauerstoffmangel, wie beispielsweise unter der Bodenoberfläche. Mit Hilfe von Eisenisotopen und Atomsonden-Tomographie, kurz APT, verfolgten sie diese Redoxreaktionen, um die ersten 3D "Atomkarten" der Neuanordnung verschiedener Eisenatome in einem kleinen Eisenoxidkristall zu erstellen.
Die APT-Karten zeigten einen überraschend dynamischen Eisenzyklus, der die kontinuierliche Bewegung von Eisen auf und von den mineralischen Oberflächen zeigt.
"Wir haben gesehen, dass Eisenatome im Wasser gezielt nach winzigen Schlaglöchern oder Defekten in den Kristalloberflächen suchten und diese füllten", sagt Sandra Taylor, Postdoc-Mitarbeiterin in der Geochemie-Gruppe von PNNL, die die Messungen durchführte. "Diese rekristallisierten Regionen auf atomarer Ebene zu sehen, hat uns gezeigt, dass die Reaktion beschädigte Bereiche auf der Kristalloberfläche effektiv heilen kann, und das Wachstum wird durch Perfektion angetrieben."
Kevin Rosso, ein PNNL-Labormitarbeiter und leitender Forscher für die Studie, sagt, dass die Ergebnisse bestätigen, dass Reaktionen mit Rostmineralien in Böden und Stahlkorrosionsprodukten dynamischer sind als üblicherweise angenommen. Sie veranschaulichen, wie Rost an Metallrohren unter wechselnden chemischen Bedingungen fortbesteht, so dass sie im Laufe der Zeit kontinuierlich korrodieren und verrotten.
Die Entdeckung endete mit einem jahrelangen Aufwand, um Messungen der chemischen Zusammensetzung und Bilder im atomaren Maßstab in 3D mit APT zu erfassen. Diese anspruchsvolle und herausfordernde Technik erfordert viel Geschick, um die Oberflächen von nanopartikulären Eisenoxiden erfolgreich zu untersuchen. Die Atomsonde befindet sich im Environmental Molecular Sciences Laboratory, einer Anwendereinrichtung des DOE Office of Science in PNNL.
"Diese Studie schafft einen neuen Präzedenzfall für die Charakterisierung dieser wichtigen Redox-Schnittstelle", sagt Rosso und fügt hinzu, dass die Ergebnisse genutzt werden können, um ein breites Spektrum von Prozessen besser zu verstehen. Dazu gehört das Verständnis, wie Kristalle wachsen und sich auflösen, aber auch die zugrunde liegenden Ursachen von Korrosion und wie sie Rost auf Oberflächen erzeugt - Rost, der nie schläft.
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