就像鐵流經(jīng)血液一樣，鐵礦物質(zhì)通過地面。這些礦物質(zhì)用于制造鋼鐵和其他金屬合金，從手機(jī)部件和汽車到建筑物，工業(yè)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。

不幸的是，當(dāng)暴露在氧氣和水分中時(shí)，鐵會(huì)氧化 - 或生銹。生銹是無情的。

了解更多關(guān)于驅(qū)動(dòng)和維持生銹的化學(xué)反應(yīng)可以為工程改進(jìn)的鐵基材料提供線索。它還可以導(dǎo)致肥料或土壤改良劑的進(jìn)步，增加植物營(yíng)養(yǎng)的鐵吸收。

美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在PNAS期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于在缺氧(例如土壤表面以下的氧氣)時(shí)可視化生銹礦物反應(yīng)性的突破。使用鐵同位素和原子探針層析成像或APT，他們追蹤這些氧化還原反應(yīng)，以創(chuàng)建在小氧化鐵晶體中重新排列不同鐵原子的第一個(gè)3D“原子圖”。

APT地圖揭示了一個(gè)令人驚訝的動(dòng)態(tài)鐵循環(huán)，顯示了鐵在礦物表面上和從礦物表面上不斷移動(dòng)。

“我們看到水中的鐵原子特別尋找并在晶體表面填充了微小的坑洼或缺陷，”PNNL地球化學(xué)小組的博士后研究員桑德拉泰勒說。“在原子尺度上看到這些重結(jié)晶區(qū)域，我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)可以有效地”治愈“晶體表面受損區(qū)域，并且完美驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)。”

PNNL實(shí)驗(yàn)室研究員，該研究的首席研究員Kevin Rosso表示，結(jié)果證實(shí)，土壤和鋼鐵腐蝕產(chǎn)物中與銹類礦物的反應(yīng)比通常認(rèn)為的更具活力。它們說明了在不斷變化的化學(xué)條件下金屬管道上的銹蝕是如何持續(xù)存在的，使其隨著時(shí)間的推移不斷腐蝕和變質(zhì)。

這一發(fā)現(xiàn)限制了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的努力，使用APT以3D原子尺度捕獲化學(xué)成分測(cè)量和圖像。這種復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)需要很高的技巧才能成功探測(cè)納米顆粒鐵氧化物的表面。原子探針位于PNNL的DOE科學(xué)辦公室用戶設(shè)施環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

“這項(xiàng)研究為表征這一重要的氧化還原界面開辟了一個(gè)新的先例，”Rosso說，并補(bǔ)充說，結(jié)果可以用來更好地理解廣泛的過程。這些包括了解晶體如何生長(zhǎng)和溶解，以及腐蝕的根本原因以及它如何在表面上生銹 - 從不睡覺的生銹。