Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США открыли новые способы взаимодействия ионов с минеральными поверхностями в воде, открыв дверь к новым знаниям о том, как загрязняющие вещества перемещаются в окружающей среде. Открытие, опубликованное в сегодняшнем выпуске журнала Physical Review Letters, помогает лучше понять факторы, определяющие качество воды.
Вода - бесцветная, без запаха и вкуса - может показаться простой, но ее взаимодействие с минералами может оказаться трудным для изучения. Ионы, которые варьируются от питательных веществ, таких как кальций, до загрязнителей, таких как свинец, присутствуют в природных водах, но их перенос часто ограничивается адсорбцией на минеральных поверхностях. Чем больше ученые смогут понять о взаимодействии минералов с водой и ионами, тем эффективнее они смогут контролировать качество воды в окружающей среде, и исследования Аргонны в этой области вносят ведущий вклад в эту область.
Вопреки общепринятым научным предположениям, простое хрестоматийное описание того, как ионы адсорбируются на границе раздела минеральной воды, не всегда верно.
«Известно, что ионы несут гидратную оболочку в воде», - сказал аргоннский физик Пол Фентер. «Раньше считалось, что ионы либо адсорбируются на поверхности минерала с неповрежденной оболочкой в виде иона внешней сферы, либо удаляют часть этой оболочки, чтобы напрямую связываться с минералом в качестве иона внутренней сферы. Теперь мы знаем, что это не только различие между черным и белым, но и открыли новые оттенки серого, показав, что разновидности одного и того же иона во внешней и внутренней сферах могут сосуществовать».
Это открытие стало результатом применения нового метода для конкретных элементов, разработанного для понимания поведения ионов на границе между минералами и жидкостями, такими как вода.
По словам аргоннского химика Чангён Пака, «обычные методы не позволяли напрямую наблюдать такое поведение. видов ранее."
Используя усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргонне, который обеспечивает самые яркие рентгеновские лучи в западном полушарии для исследований, команда смогла сделать это новое открытие. Эти рентгеновские лучи позволили ученым получить новые знания о структуре и функциях материалов и разработать новые методы научных исследований. Используя APS, команда смогла воспользоваться спектроскопической чувствительностью метода, чтобы определить, как определенные ионы взаимодействуют на границах раздела минеральной воды, и напрямую визуализировать явления.
Выводы основаны на более ранней работе по адсорбции катионов с использованием традиционных методов рассеяния рентгеновских лучей. Аргоннские ученые, работая вместе с исследователями из Университета Иллинойса в Чикагском отделении наук о Земле и окружающей среде, ранее обнаружили аномалию в способе адсорбции ионов. Команда снова сотрудничала с новой техникой для конкретных элементов, которая привела к этому новому открытию, центральному для понимания поведения ионов на границах раздела твердое тело-жидкость.
Вода растворяет больше веществ, чем любая другая жидкость. Это означает, что куда бы вода ни шла, через землю или через наши тела, она уносит с собой ионы. Общее понимание этого поведения и разработка нового научного метода изучения этого явления могут привести к лучшему пониманию различных других процессов, происходящих на границе твердое тело-жидкость, включая коррозию, эрозию, катализ и даже биологическое поведение клеточных мембран..
Подразделение химии в Аргонне проводит стратегические исследования на передовых рубежах химии, объединяя выдающиеся научные умы и инструменты для ответа на сложные вопросы ради светлого будущего. Области исследований включают геохимию, радиационную и фотохимию, фотосинтез, кластеры металлов, нанокластеры, химическую динамику газов, химические превращения, разделение тяжелых элементов, вычислительные и электрохимические процессы.
Это исследование финансируется Исследовательской программой по геонаукам Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.