REACTivity under confinement: in-situ mineral growth within nano- and microscale volumes.

I naturen vokser ofte krystaller inne i porene. Når vann strømmer gjennom porøse medier som bergarter eller byggematerialer, kan mineraler løses opp, og nye mer stabile krystaller kan vokse. Konsekvensene av mineralvekst inne i porene påvirker et stort spekter av naturlige og menneskeskapte miljøer. Dette inkluderer for eksempel kulturarv bygg og moderne infrastruktur der nye mineraler krystalliserer og forårsaker skade. Dette kan gi geologiske formasjoner der veksten av nye mineraler kan føre til oppsprekking og svikt. I tillegg kan underjordiske reservoarer i porøse bergarter ved injeksjon av CO2 endre eksisterende mineraltyper og gi ukjente konsekvenser for reservoarets permeabilitet. Et annet eksempel er vanlig Portland-sement hvor mineraloppløsning og vekst er kilden til ekstremt høye bindekraft (?). Avhengig av hvor dannelsene utvikler seg, kan krystallisering være ufordelaktig eller ønskelig. I begge tilfeller er det et presserende behov for å bedre forstå og kontrollere mineralveksten i porene. REACT-prosjektteamet har som mål å bedre forstå, forutsi og kontrollere mineralreaktivitet og vekst i små, avgrenset geometri. Vi vil spesielt fokusere på den destruktive eller sammenhengende påvirkningen av mineralvekst i porene på omgivelsene. Vårt unike eksperimentelle oppsett er ‘surface forces apparatus’ (SFA)-teknikken. SFA kan gi målinger av klebende eller frastøtende overflatekrefter under mineralvekst i en avgrenset geometri på nanometer- til mikrometerstørrelse. Vårt eksperimentelle arbeid vil fokusere på lokalisering av nye voksende mineraler som en funksjon av poreformen. Vi vil finne koblinger mellom overflatekrefter under dannelsen av skadelig eller sammenhengende vekst av mineraler. Våre resultater vil gi ny kunnskap om krystallvekst i små porerom, bredt relevant for geologi og materialvitenskap.

Real-life mineral nucleation and growth is seldom a homogenous, bulk solution process. Minerals frequently grow under spatial confinement in pores. When fluids percolate through porous media, minerals can dissolve, and new more thermodynamically stable phases may precipitate. The consequences of mineral growth under confinement affect a vast range of natural and anthropogenic environments. These include: built cultural heritage and modern infrastructure where new minerals crystallize and cause disintegration; geological formations where mineral replacement may lead to fracturing and cohesive failure; subsurface geological reservoirs where anthropogenic injection of CO2 changes the existing mineral assemblages with unknown consequences for the reservoir’s permeability; and Portland cement where mineral dissolution-reprecipitation govern its robust cohesive properties. Depending on the setting, the confined mineral growth may be perceived as disadvantageous or desired. In both cases, there is a pressing need to better understand and control the mineral growth in pores. In the interdisciplinary REACT project, we will endeavor to better understand, predict, and control mineral reactivity under confinement. We will especially focus on the destructive or cohesive impact of confined mineral growth on the host matrix, i.e. confining material, by measuring in-situ forces acting between reactive surfaces. Our unique experimental approach relies on the surface forces apparatus (SFA) with real-time force sensing. SFA is the only technique, which can provide measurements of nano- to microscale, distance-resolved surface forces in a confined geometry. After upgrading the SFA to enable real-time force sensing (WP1), we will study confined mineral replacement to unravel the mechanisms that control the spatial location of new growing minerals (WP2). Further, we will find links between surface forces acting during cohesive (WP3) and damaging (WP4) growth of minerals in pores.