Un equipo internacional usa las computadoras en experimentos que predicen una mejor disolución química.
Se muestra el proceso de disolución de una estructura cristalina en agua: en dos SiO4 depositados, las moléculas se disuelven (arriba izquierda), un cristal de cuarzo (arriba derecha), y la superficie simulada por ordenador de una estructura cristalina disolviéndose (abajo). Crédito: R. Arvidson / MARUM
Científicos de la Universidad de Rice y de la Universidad Central de Bremen de Marine Environmental Sciences (MARUM), en Alemania, han combinado técnicas experimentales de vanguardia y simulaciones por ordenador para encontrar una nueva forma de predecir cómo el agua disuelve las estructuras cristalinas, como las que se encuentran en la piedra natural y el cemento.
En un nuevo estudio aparecido en el Journal of Physical Chemistry C, el equipo descubrió un método más eficiente para la predicción de las tasas de disolución de las estructuras cristalinas en el agua que los métodos anteriormente utilizados. La investigación podría tener un impacto de amplio alcance en diversas áreas, incluso en la calidad del agua y la planificación, la sostenibilidad medioambiental, resistencia a la corrosión y la construcción de cemento.
"Queremos obtener una mejor comprensión de los mecanismos de disolución que nos permita predecir mejor el destino de ciertos materiales, tanto en la naturaleza como en los sistemas hechos por el hombre", declaró el investigador principal, Andreas Lüttge, profesor de mineralogía en MARUM y profesor de investigación en Ciencias de la Tierra en Rice. Su equipo se especializa en el estudio de la delgada capa límite que se forma entre los minerales y los líquidos.
Las capas límite son muy abundantes en la naturaleza, se producen cuando las gotas de lluvia caen sobre la piedra y el agua se filtra a través del suelo, también donde el océano se encuentra con el fondo del mar. Los científicos e ingenieros han estado durante mucho tiempo interesados en explicar con precisión cómo los materiales cristalinos, incluyendo a muchos minerales y piedras, interactúan y se disuelven en el agua. Los cálculos sobre la tasa de estos procesos de disolución son fundamentales en muchos campos de la ciencia y la ingeniería.
En el nuevo estudio, Lüttge e Inna Kurganskaya, investigador asociado de ciencias de la Tierra en la Universidad Rice, estudiaron los procesos de disolución usando el cuarzo, uno de los minerales más comunes que se hallan en la naturaleza. El cuarzo, o dióxido de silicio, es un tipo de silicato, el grupo más abundante de minerales en la corteza terrestre .
Una superficie simulada por ordenador de una estructura de cuarzo disolviéndose. Crédito: R. Arvidson / MARUM
En la capa límite, donde el cuarzo y agua se encuentran, se producen varias reacciones químicas. Algunas de ellas ocurren simultáneamente y otras se producen de forma sucesiva. En el nuevo estudio, los investigadores intentaron crear un modelo computarizado que podría simular con precisión la compleja química de la capa límite.
"Este nuevo modelo simula la cinética de disolución de la capa límite con mayor precisión que los modelos estocásticos anteriores que operan en la misma escala", indicó Kurganskaya. "Las simulaciones existentes se basan en constantes de velocidad asignadas a un amplio rango de posibles reacciones, dando como resultado, el flujo total de material de la superficie tienen un rango de varianza inherente, un factor mayor o menor que siempre está ahí."
Una razón por el que las simulaciones del equipo representan con mayor precisión los procesos reales, es que sus modelos incorporan medidas reales con instrumentos de última generación y materiales de alta tecnología, incluyendo la cerámica de vidrio y nanomateriales. Con una técnica especial de imagen llamada "interferometría de exploración vertical", que el grupo de MARUM y Rice han ayudado a desarrollar; el equipo escanea las superficies de los cristales de ambos minerales y materiales, a fin de generar mapas topográficos con una resolución de unos pocos nanómetros, o milmillonésimas de metro.
"Hemos descubierto que las velocidades de disolución se pueden prever usando constantes de velocidad, a veces atenuadas de hasta dos órdenes de magnitud", añadió Lüttge.
Este nuevo método, que puede predecir con mayor precisión los procesos de disolución, podría revolucionar la forma en que los ingenieros y los científicos hacen sus muchos cálculos relacionados con una gran variedad de cosas, entre ellas la estabilidad de los materiales de construcción, la longevidad de los materiales utilizados para el almacenamiento de los residuos radiactivos y más.
"Es necesario seguir trabajando para demostrar la amplia utilidad del método", dijo. "En la próxima fase de investigación, tenemos la intención de poner a prueba nuestras simulaciones con sistemas más grandes y durante períodos más largos."
- Fuente: Rice University. Crédito: R. Arvidson / MARUM
- Esta investigación fue apoyada por Global Climate and Energy Project at Stanford University.
- Imagen 1) Se muestra el proceso de disolución de una estructura cristalina en agua: en dos SiO4 depositados, las moléculas se disuelven (arriba izquierda), un cristal de cuarzo (arriba derecha), y la superficie simulada por ordenador de una estructura cristalina disolviéndose (abajo). Crédito: R. Arvidson / MARUM
- Imagen 2) Una superficie simulada por ordenador de una estructura de cuarzo disolviéndose. Crédito: R. Arvidson / MARUM
- Publicación: Journal of Physical Chemistry C paper is available at: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp408845m
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