Наногеонаука - Nanogeoscience

Наногеонаука это исследование наноразмерных явлений, связанных с геологическими системами. Преимущественно это исследуется путем изучения окружающей среды. наночастицы размером от 1 до 100 нм. Другие применимые области исследования включают изучение материалов, по крайней мере, с одним измерением, ограниченным наномасштабом (например, тонкие пленки, ограниченные жидкости) и перенос энергии, электронов, протонов и вещества через границы раздела сред.

Атмосфера

Поскольку все больше пыли попадает в атмосферу из-за последствий деятельности человека (от прямых эффектов, таких как расчистка земель и опустынивание, по сравнению с косвенными эффектами, такими как глобальное потепление), становится все более важным понимать влияние минеральной пыли на газообразный состав атмосферы, образование облаков условия и глобальное среднее радиационное воздействие (т.е. эффекты нагрева или охлаждения).

Океан

Океанографы обычно изучают частицы размером 0,2 микрометра и больше, что означает, что многие наноразмерные частицы не исследуются, особенно в отношении механизмов образования.

Почвы

Нанонаука вода – порода – бактерии
Хотя ни в коем случае не развиты, почти все аспекты (как гео-, так и биопроцессы) выветривание, наука о взаимодействии почвы и воды и горных пород неразрывно связана с нанонаукой. В приповерхностном слое Земли разрушаемые материалы, а также производимые материалы часто находятся в наномасштабном режиме. Кроме того, поскольку органические молекулы, простые и сложные, а также бактерии, вся флора и фауна в почвах и горных породах взаимодействуют с присутствующими минеральными компонентами, наноразмеры и наноразмерные процессы являются обычным делом.
Нанонаука о переносе металлов
На суше исследователи изучают, как наноразмерные минералы улавливают токсины, такие как мышьяк, медь и свинец, из почвы. Содействуя этому процессу, называется восстановление почвы, это непростой бизнес.

Наногеонаука находится на относительно ранней стадии развития. Будущие направления нанонауки в науках о Земле будут включать определение идентичности, распределения и необычных химических свойств наноразмерных частиц и / или пленок в океанах, на континентах и ​​в атмосфере, а также то, как они неожиданно управляют земными процессами. способами. Кроме того, нанотехнологии станут ключом к развитию систем зондирования Земли и окружающей среды следующего поколения.

Стабильность и реакционная способность наночастиц в зависимости от размера

Наногеонаука занимается изучением структур, свойств и поведения наночастиц в почвах, водных системах и атмосфере. Одной из ключевых особенностей наночастиц является зависимость стабильности и реакционной способности наночастиц от размера.[1] Это происходит из-за большой удельной поверхности и различий в атомной структуре поверхности наночастиц при малых размерах частиц. В целом свободная энергия наночастиц обратно пропорционально размеру их частиц. Для материалов, которые могут иметь две или более структуры, свободная энергия, зависящая от размера, может приводить к кроссоверу фазовой стабильности при определенных размерах.[2] Снижение свободной энергии способствует росту кристаллов (атом за атомом или ориентированным присоединением [3][4]), что может снова вызвать фазовое превращение из-за изменения относительной фазовой стабильности при увеличении размеров. Эти процессы влияют на поверхностную реакционную способность и подвижность наночастиц в природных системах.

Хорошо идентифицированные явления, связанные с размером наночастиц, включают:

  • Обращение фазовой устойчивости объемных (макроскопических) частиц при малых размерах. Обычно менее стабильная объемная фаза при низкой температуре (и / или низком давлении) становится более стабильной, чем объемно-стабильная фаза, когда размер частиц уменьшается ниже определенного критического размера. Например, оптом анатаз (TiO2) метастабильна по объему рутил (TiO2). Однако на воздухе анатаз становится более стабильным, чем рутил, при размере частиц менее 14 нм.[5] Аналогично, ниже 1293 К, вюрцит (ZnS) менее устойчив, чем сфалерит (ZnS). В вакууме вюрцит становится более стабильным, чем сфалерит, когда размер частиц менее 7 нм при 300 К.[6] При очень малых размерах частиц добавление воды к поверхности наночастиц ZnS может вызвать изменение структуры наночастиц. [7] и взаимодействия поверхность-поверхность могут вызвать обратимые структурные преобразования при агрегации / дезагрегации.[8] Другие примеры фазовой стабильности в зависимости от размера включают системы Al2О3,[9] ZrO2,[10] C, CdS, BaTiO3, Fe2О3, Cr2О3, Mn2О3, Nb2О3, Y2О3, и Au-Sb.
  • Кинетика фазового превращения зависит от размера, и превращения обычно происходят при низких температурах (менее нескольких сотен градусов). В таких условиях скорости поверхностного зародышеобразования и объемного зародышеобразования низкие из-за их высокой энергии активации. Таким образом, фазовое превращение происходит преимущественно за счет зарождения межфазной границы. [11] это зависит от контакта между наночастицами. Как следствие, скорость трансформации зависит от количества (размера) частиц и протекает быстрее в плотно упакованных (или сильно агрегированных), чем в слабоупакованных наночастицах.[12] В наночастицах часто происходят сложные одновременные фазовые превращения и укрупнение частиц.[13]
  • Адсорбция на наночастицах в зависимости от размера [14][15] и окисление наноминералов.[16]

Эти зависящие от размера свойства подчеркивают важность размера частиц для стабильности и реакционной способности наночастиц.

Рекомендации

  1. ^ Banfield, J. F .; Чжан, Х. Наночастицы в окружающей среде. Преподобный Минерал. & Geochem. 2001, 44, 1.
  2. ^ Ranade, M. R .; Навроцкий, А .; Zhang, H .; Banfield, J. F .; Elder, S.H .; Забан, А .; Borse, P.H .; Кулкарни, С. К .; Доран, Г. С .; Уитфилд, Х. Дж. Энергетика нанокристаллического TiO2. PNAS 2002, 99 (Дополнение 2), 6476.
  3. ^ Пенн, Р. Л. (1998). «Несовершенно ориентированное прикрепление: генерация дислокаций в бездефектных нанокристаллах». Наука. 281 (5379): 969–971. Bibcode:1998Sci ... 281..969L. Дои:10.1126 / science.281.5379.969. PMID  9703506.
  4. ^ Банфилд, Дж. Ф. (2000). «Рост кристаллов на основе агрегации и развитие микроструктуры в продуктах биоминерализации природного оксигидроксида железа». Наука. 289 (5480): 751–754. Bibcode:2000Sci ... 289..751B. Дои:10.1126 / science.289.5480.751. PMID  10926531.
  5. ^ Zhang, H .; Банфилд, Дж. Ф. Термодинамический анализ фазовой стабильности нанокристаллического диоксида титана. J. Mater. Chem. 1998, 8, 2073.
  6. ^ Zhang, H .; Хуанг, Ф .; Gilbert, B .; Банфилд, Дж. Ф. Молекулярно-динамическое моделирование, термодинамический анализ и экспериментальное исследование фазовой стабильности наночастиц сульфида цинка. J. Phys. Chem. В 2003, 107, 13051.
  7. ^ Чжан, Хэнчжун; Гилберт, Бенджамин; Хуанг, Фэн; Банфилд, Джиллиан Ф. (2003). «Водяная трансформация структуры наночастиц при комнатной температуре». Природа. 424 (6952): 1025–1029. Bibcode:2003Натура.424.1025Z. Дои:10.1038 / природа01845. PMID  12944961. S2CID  4364403.
  8. ^ Хуанг, Фэн; Гилберт, Бенджамин; Чжан, Хэнчжун; Банфилд, Джиллиан Ф. (2004). «Обратимое, контролируемое поверхностью структурное преобразование в наночастицах, вызванное состоянием агрегации». Письма с физическими проверками. 92 (15): 155501. Bibcode:2004PhRvL..92o5501H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.155501. PMID  15169293. S2CID  21873269.
  9. ^ Макхейл, Дж. М. (1997). «Поверхностная энергия и термодинамическая фазовая стабильность в нанокристаллических оксидах алюминия». Наука. 277 (5327): 788–791. Дои:10.1126 / science.277.5327.788.
  10. ^ Питчер, М. У .; Ушаков, С. В .; Навроцкий, А .; Woodfield, B.F .; Li, G .; Boerio-Goates, J .; Ткани, Б.М. Энергетические кроссоверы в нанокристаллическом диоксиде циркония. Варенье. Керамический Soc. 2005, 88, 160.
  11. ^ Zhang, H .; Банфилд, Дж. Ф. Новая кинетическая модель превращения нанокристаллического анатаза в рутил, показывающая зависимость скорости от числа частиц. Являюсь. Минеральная. 1999, 84, 528.
  12. ^ Zhang, H .; Банфилд, Дж. Ф. Фазовое превращение нанокристаллического анатаза в рутил через комбинированный интерфейс и поверхностное зародышеобразование. J. Mater. Res. 2000, 15, 437
  13. ^ Zhang, H .; Банфилд, Дж. Ф. Полиморфные превращения и укрупнение частиц в нанокристаллических керамических порошках и мембранах из диоксида титана. J. Phys. Chem. С 2007, 111, 6621.
  14. ^ Zhang, H .; Penn, R.L .; Hamers, R.J .; Банфилд, Дж. Ф. Повышенная адсорбция молекул на поверхности нанокристаллических частиц. J. Phys. Chem. В 1999, 103, 4656.
  15. ^ Мэдден, Эндрю С .; Хочелла, Майкл Ф .; Лукстон, Тодд П. (2006). «Понимание зависимой от размера реакционной способности наноминеральных поверхностей гематита через сорбцию Cu2 +». Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (16): 4095–4104. Bibcode:2006GeCoA..70.4095M. Дои:10.1016 / j.gca.2006.06.1366.
  16. ^ Мэдден, Эндрю С .; Хочелла, Майкл Ф. (2005). «Тест геохимической активности как функции размера минерала: окисление марганца, вызванное наночастицами гематита». Geochimica et Cosmochimica Acta. 69 (2): 389–398. Bibcode:2005GeCoA..69..389M. Дои:10.1016 / j.gca.2004.06.035.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Группы исследователей наногеологии: