Inelele pulsatorii se găsesc în hărțile vitezei de reacție de suprafață ale cristalelor dizolvate

Când cercetătorii germani s-au apropiat de scara nanometrică a imaginilor time-lapse ale cristalelor dizolvate, au găsit o surpriză: dizolvarea s-a întâmplat în impulsuri, marcate de unde care se răspândesc exact ca undele pe un iaz.

dizolvarea

„Ceea ce vedem sunt valuri sau inele”, a declarat cercetătorul principal Cornelius Fischer, care a efectuat această cercetare la MARUM - Centrul de Științe ale Mediului Marin de la Universitatea din Bremen, în grupul Prof. Andreas Lüttge. „Avem o groapă la mijloc, iar în jurul acestor gropi sunt inele de îndepărtare în masă”.

Cercetarea este descrisă online în ediția timpurie a Proceedings of the National Academy of Sciences.

Fischer și Lüttge sunt specializați în studierea interacțiunilor minerale-lichide și colaborează de mai bine de 15 ani în SUA și Germania.

În viața de zi cu zi, dizolvarea cristalelor este la fel de simplă ca amestecarea zahărului într-un pahar cu apă. Și, după cum știe orice copil care a făcut bomboane, procesul funcționează și invers: cristale de zahăr se vor forma pe măsură ce apa se evaporă din sticlă. Lüttge a spus că oamenii de știință știu de mult că cristalele - cum ar fi bomboanele de piatră sau calcitul din calcar - se formează printr-un proces continuu, pe măsură ce moleculele sunt depuse din soluție în rețeaua cristalină obișnuită a solidului pe care îl devin.

„Am crezut întotdeauna că dizolvarea este un proces continuu, un fel de formare a cristalelor în sens invers și am fost uimiți când aceste experimente au arătat că nu este un proces continuu”, a spus Fischer. "În schimb, ceea ce am văzut au fost impulsuri care apar în jurul acestor gropi."

Impulsurile apar clar în hărțile de viteză, imagini statice de înaltă rezoluție care surprind viteza la care materialul se dizolvă în timp de pe suprafața unui cristal. În experimentele efectuate la MARUM, Cornelius Fischer a modificat o tehnică de imagistică numită „interferometrie cu scanare verticală” pe care Lüttge a început-o la Rice University (Houston, SUA) la începutul anilor 2000 pentru a realiza „hărți ale vitezei de reacție la suprafață”.

„Hărțile arată distribuția fluxului de material și ilustrează astfel reactivitatea suprafeței”, a spus Fischer, fost cercetător postdoctoral MARUM, care este acum șef al unui grup de cercetare la laboratorul independent german de cercetare Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. "În timpul analizei de rutină a datelor hărții de rată, am descoperit existența unui model remarcabil de reactivitate a suprafeței. Acesta a fost punctul de plecare pentru o analiză sistematică a caracteristicilor hărții pulsatorii a ratei."

Folosind probe de mai întâi oxid de zinc și mai târziu carbonat de calciu, Fischer a realizat hărți care arată fiecare scufundare și creștere pe suprafața cristalului la o rezoluție de 1 nanometru sau o miliardime de metru. Fiecare scanare a colectat mai mult de 4 milioane de măsurători de pe o suprafață care nu măsoară mai mult de un centimetru pătrat. Realizarea instantaneelor ​​ulterioare ale suprafeței unui cristal pe măsură ce acesta s-a dizolvat a permis măsurarea vitezei la care s-a dizolvat cristalul în funcție de înălțimea suprafeței.

Oamenii de știință au înțeles de mult importanța faptului că micile defecte de suprafață joacă în dizolvarea cristalelor. Divocurile minuscule numite gropi de etch expun marginile cristalelor și cresc probabilitatea ca un solvent, precum apa, să reacționeze chimic cu atomii din cristal. Procesul este similar cu modul în care rugina mănâncă fierul sau oțelul.

Când și-au examinat hărțile de viteză pentru dizolvarea cristalelor de calcit și oxid de zinc, Lüttge și Fischer au găsit „fluctuații ritmice ale densității site-ului de suprafață reactivă” sau impulsuri de dizolvare care se răspândesc ca inelele din gropile de etch și dislocările șuruburilor, la fel ca undele care se răspândesc din punctul în care o pietricică este aruncată într-un iaz.

„Suprapunerea complexă a impulsurilor definește rezultatul general și acum suntem capabili să înțelegem - și, cel mai important, să cuantificăm - tipare precum punctul de plecare pentru formarea porozității în materialele solide în timpul dizolvării”, a spus Fischer.

Lüttge a declarat că descoperirea se adaugă la înțelegerea fundamentală a oamenilor de știință despre dizolvarea cristalelor și ar putea ajuta cercetătorii în domenii atât de diverse precum prevenirea coroziunii și fabricarea farmaceutică.