Come si formano i nanostrati di ferro e zolfo: una visione a raggi X delle reazioni chimiche
Annunci
I ricercatori dell'Università di Amburgo, dell'Università di Tolosa e degli istituti di ricerca DESY ed ESRF hanno osservato per la prima volta in tempo reale come si formano le nanostrutture ferro-zolfo nelle soluzioni. Utilizzando metodi a raggi X risolti nel tempo, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare l'intero percorso di reazione, dai precursori molecolari iniziali ai nanostrati ultrasottili completi. Questi risultati offrono preziose indicazioni sulla formazione dei cosiddetti materiali metastabili e sono stati pubblicati sul Journal of the American Chemical Society (JACS).
La nanostruttura non si forma direttamente, ma piuttosto attraverso un prodotto intermedio simile a uno strato che cresce in due dimensioni, trasferendo la sua forma di nanosheet accartocciato al materiale finale.
Ella Maru Studio
I composti ferro-zolfo svolgono un ruolo significativo sia nei processi geologici sia nelle applicazioni tecnologiche, come la ricerca sui materiali energetici. Di particolare interesse è il minerale greigite (Fe₃S₄), caratterizzato da eccezionali proprietà magnetiche ed elettroniche. Nonostante l'intensa attività di ricerca, tuttavia, non è ancora chiaro come si formino queste nanostrutture nella sintesi chimica.
Un team internazionale guidato dalla Prof.ssa Dorota Koziej dell'Università di Amburgo e dal Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter" è riuscito a decifrare il processo di formazione precedentemente nascosto nell'ambito del progetto di consolidamento ERC LINCHPIN. A tal fine, i ricercatori hanno combinato diversi metodi a raggi X presso le sorgenti di raggi X ad alta energia dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) e del DESY, applicando in particolare il cosiddetto metodo vtc XES in condizioni di reazione reali in soluzione e a temperature più elevate. Senza le brillantissime sorgenti di raggi X dell'ESRF, il segnale, altrimenti molto debole, non sarebbe stato misurabile. Mentre la reazione era in corso, il team ha osservato contemporaneamente la struttura, lo stato di ossidazione del ferro e l'ambiente di legame chimico.
Le misurazioni mostrano che il materiale desiderato non si forma direttamente. Al contrario, si forma prima un solfuro di ferro intermedio, simile a uno strato di breve durata. Questo cresce preferenzialmente in due dimensioni e poi passa dalla sua forma di nanosheet accartocciato al materiale finale. In una cosiddetta fase di trasformazione toptica, gli atomi del solido si riorganizzano, ma le particelle conservano la loro caratteristica forma di nanosheet accartocciato.
"Siamo riusciti a ottenere un'ottima panoramica delle singole fasi della reazione, dalla riduzione iniziale del composto di ferro alla formazione della nanostruttura finale di solfuro di ferro", spiega la dott.ssa Cecilia Zito. "Una visione così dettagliata è possibile solo combinando diversi metodi analitici in un sincrotrone, utilizzando celle di misura appositamente sviluppate", aggiunge il dottor Lars Klemeyer.
I risultati della ricerca sono significativi ben oltre lo specifico sistema di materiali analizzato. Essi dimostrano in che misura le fasi intermedie e le dinamiche di crescita determinano la forma finale dei nanomateriali. Queste intuizioni sono cruciali per la progettazione mirata di nanostrutture in futuro, ad esempio per dispositivi di accumulo di energia, catalizzatori o materiali funzionali più efficienti.
Allo stesso tempo, gli esperimenti forniscono nuovi indizi su come minerali simili possano essersi formati in natura, ad esempio negli ambienti poveri di ossigeno della Terra primitiva. Il lavoro evidenzia anche il potenziale dei moderni metodi di analisi multimodale a raggi X in situ per decifrare i processi chimici a livello molecolare e su scala nanometrica nel corso del tempo - un approccio che può essere applicato a molti altri sistemi materiali in futuro.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Cecilia A. Zito, Lars Klemeyer, Francesco Caddeo, Brian Jessen, Sani Y. Harouna-Mayer, Lise-Marie Lacroix, Malte Langfeldt, Tjark L. R. Gröne, Jagadesh K. Kesavan, Chia-Shuo Hsu, Alexander Schwarz, Ann-Christin Dippel, Fernando Igoa Saldaña, Blanka Detlefs, and Dorota Koziej; In situ X ray Synchrotron Studies Reveal the Nucleation and Topotactic Transformation of Iron Sulfide Nanosheets; J. Am. Chem. Soc. 147, 47409−47420 (2025)
Altre notizie dal dipartimento scienza
