Glimmermineral liefert den Schlüssel, wie Wasser Mineralien transportiert

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Chemikern ist es gelungen, durch Analyse der Grenzfläche zwischen Muskovit, ein Mineral aus der Glimmergruppe mit der chemischen Formel KAl2[(OH,F)2|AlSi3O10], und Wasser  ein tieferes Verständnis für bestimmte Umweltprozesse zu gewinnen, was dabei behilflich sein kann, Schadstoffbelastungen besser in Angriff nehmen zu können.
Im speziellen widmeten sich die Forscher des Fachbereichs für Energie am Argonne National Laboratory, in Kooperation mit der University of Illinois (Chicago) und der University of Delaware, der Anhaftung und Freisetzung von Rubidium, einem Alkalimetall, das zwar nahe mit den Alkalimetallen Natrium und Kalium verwandt, aber weitaus besser zu isolieren ist.

Sternförmiger Muskovit aus Minas Gerais, Brasilien.
Bildrechte: Rob Lavinsky, iRocks.com

In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler eine rubidiumhaltige Lösung über den Muskovit fließen lassen, was bewirkte, dass die Kaliumatome, die sich typischerweise an der Oberfläche des Glimmerminerals befinden, durch Rubidiumatome ersetzt wurden. Anschließend haben sie statt einer rubidiumhaltigen Lösung eine Lösung mit Natriumatomen benutzt, was zu einem Austausch von Rubidiumatomen gegen Natriumatome führte.

Laut Sang Soo Lee, Geochemiker am Argonne National Laboratory, der die Studie geleitet hat, wurde die Dynamik des Ionenaustauschs durch elektrostatische Eigenschaften an der Kontaktfläche zwischen Muskovit und Wasser gesteuert.

„Im Prinzip kann man sagen, dass die Rubidiumatome sich an die Oberfläche des Muskovits anhefteten wie Flusen sich an Kleidung anheften. Die Stärke der Anhaftung wurde dabei hauptsächlich dadurch beeinflusst, wieviele Wassermoleküle sich zwischen der Oberfläche des Muskovits und dem Rubidium befanden, je weniger Wassermoleküle, desto enger schmiegten sich die Rubidiumatome an.“

Lee und sein Kollege am Argonne National Laboratory, Paul Fenter, nutzten die Advanced Photon Source, eine Synchrotonstrahlungsquelle, um die Aktivität des Rubidiums zu beobachten, indem sie eine Technik benutzten, die man anomale Röntgenresonanzreflektion (RAXR) nennt. Diese Technik erlaubt es Forschern, die Position eines einzelnen Elements an einer Grenzfläche zu untersuchen.

„Vereinfacht ausgedrückt ist es, wie wenn man in einem Baum einen Goldzeisig sucht und dazu eine Technik benutzt, die nur die gelben Stellen im Baum zeigt“, erklärt Fenter.

Indem sie diese spezielle Technik benutzten, waren die Wissenschaftler dazu in der Lage den Zeitrahmen, in dem das Signal aus den Daten ausgemessen wird, zu verdichten. Laut Fenter dauert es normalerweise mehrere Stunden die Daten zu messen, nun haben die Wissenschaftler eine zeitliche Auflösung von ein bis zwei Sekunden erreichen können.
Diese Echtzeitdarstellung von Grenzflächenprozessen ermöglicht es der Wissenschaft eine neue Sicht darüber zu entwickeln, wie Ionen Oberflächen energetisch abtasten:

„Wenn man sich unsere Experimente wie einen Flughafen vorstellt, dann waren wir zuvor nur in der Lage zu sagen, wieviele Boeings und Cessnas sich dort befinden. Jetzt aber können wir live dabei zusehen, wie sie abheben und landen“, erklärt Lee mit einem Schmunzeln.

Quelle:  Sang Soo Lee, Paul Fenter, Kathryn L. Nagy, Neil C. Sturchio. Real-time observation of cation exchange kinetics and dynamics at the muscovite-water interface. Nature Communications, 2017; 8: 15826 DOI: 10.1038/ncomms15826

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