Чтобы понять различные экологические процессы и научиться лучше справляться с последствиями загрязнения, ученые заинтересовались отслеживанием движения элементов в окружающей среде, особенно на границе раздела между водой и минералами.
В новом исследовании, проведенном Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) в сотрудничестве с Иллинойсским и Чикагским университетами и Университетом Делавэра, химики смогли изучить границу между водой и мусковитом. слюда, плоский минерал, обычно встречающийся в граните, почвах и многих отложениях. В частности, исследователи наблюдали за захватом и высвобождением рубидия - металла, близкородственного, но более легко выделяемого, чем обычные элементы, такие как калий и натрий.
По сути, это похоже на поиск щегла на дереве с использованием техники, которая показывает только желтые предметы."
В ходе эксперимента исследователи обработали слюду раствором, содержащим рубидий, в результате чего атомы рубидия заменили калий, который естественным образом встречается вблизи поверхности слюды. Затем раствор рубидия заменили раствором, содержащим натрий, который, в свою очередь, заменил атомы рубидия.
По словам химика из Аргонны Сан Су Ли, руководившего исследованием, динамика переноса ионов в значительной степени контролировалась электростатическими свойствами на границе раздела слюды и воды. По сути, атомы рубидия «цеплялись» за поверхность слюды подобно тому, как ворс цепляется за одежду. Сила прилипания определялась в основном тем, сколько молекул воды находилось между поверхностью слюды и рубидием - чем меньше молекул воды, тем сильнее прилипание.
Ли и его коллега из Аргонны, химик Пол Фентер, использовали Аргоннский усовершенствованный источник фотонов, созданный Министерством энергетики США, для наблюдения за активностью рубидия с помощью метода, называемого резонансной аномальной рентгеновской отражательной способностью. Этот метод позволяет ученым исследовать положение одного элемента на интерфейсе.
"По сути, это похоже на поиск щегла на дереве с использованием техники, которая показывает только желтые предметы", - сказал Фентер.
Используя эту технику, исследователи смогли сократить временные рамки, необходимые для измерения сигнала на основе данных. «Обычно для измерения этих данных требуются часы, но теперь мы можем иметь временное разрешение в одну или две секунды», - сказал Фентер.
Изображение динамики таких интерфейсов в реальном времени дает ученым новое представление о том, как ионы воспринимают поверхности энергетически. «Если вы думаете о наших экспериментах, как о наблюдении за самолетами в аэропорту, то раньше мы могли знать только, сколько там Боингов или Сессн», - сказал Ли.«Теперь у нас есть способ наблюдать, как самолеты на самом деле взлетают и приземляются».