Наногеонаука

Наногеонаука — это изучение наномасштабных явлений, связанных с геологическими системами. В основном это исследуется путем изучения наночастиц окружающей среды размером от 1 до 100 нанометров. Другие применимые области исследований включают изучение материалов, по крайней мере, одно измерение которых ограничено наномасштабом (например, тонкие пленки, замкнутые жидкости), а также перенос энергии, электронов, протонов и вещества через границы раздела окружающей среды.

Атмосфера

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

Океан

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

Почвы

Нанонаука вода-камни-бактерии: Хотя они никоим образом не разработаны, почти все аспекты (как гео-, так и биопроцессы) науки о выветривании , почве и взаимодействии воды и горных пород неразрывно связаны с нанонаукой. В приповерхностных слоях Земли материалы, которые расщепляются, а также материалы, которые производятся, часто находятся в наномасштабном режиме. Кроме того, поскольку органические молекулы, простые и сложные, а также бактерии и вся флора и фауна в почвах и горных породах взаимодействуют с присутствующими минеральными компонентами, наноразмеры и наномасштабные процессы становятся повесткой дня.

Металлотранспортная нанонаука: На суше исследователи изучают, как наноразмерные минералы улавливают из почвы токсины, такие как мышьяк, медь и свинец. Содействие этому процессу, называемому рекультивацией почвы , является непростым делом.

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 того, как они приводят к неожиданным земным процессам. способы. Кроме того, нанотехнологии станут ключом к разработке следующего поколения систем зондирования Земли и окружающей среды.

Зависимая от размера стабильность и реакционная способность наночастиц

Наногеонаука занимается структурой, свойствами и поведением наночастиц в почвах, водных системах и атмосфере. Одной из ключевых особенностей наночастиц является зависимость стабильности и реакционной способности наночастиц от размера. ^[1] Это обусловлено большой удельной поверхностью и различиями в атомной структуре поверхности наночастиц при малых размерах частиц. В общем, свободная энергия наночастиц обратно пропорциональна их размеру. Для материалов, которые могут иметь две или более структуры, свободная энергия, зависящая от размера, может привести к переходу фазовой устойчивости при определенных размерах. ^[2] Уменьшение свободной энергии стимулирует рост кристаллов (поатомный или путем ориентированного присоединения). ^[3]^[4]), что снова может привести к фазовому превращению из-за изменения относительной стабильности фазы при увеличении размеров. Эти процессы влияют на реакционную способность поверхности и подвижность наночастиц в природных системах.

Хорошо известные явления, зависящие от размера наночастиц, включают:

Изменение фазовой стабильности 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, объемный анатаз (TiO ₂ ) метастабилен по отношению к объемному рутилу (TiO ₂ ). Однако на воздухе анатаз становится более устойчивым, чем рутил, при размерах частиц менее 14 нм. ^[5] Точно так же при температуре ниже 1293 К вюрцит (ZnS) менее стабилен, 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 на поверхность наночастиц ZnS может вызвать изменение структуры наночастиц. ^[7] а взаимодействие поверхность-поверхность может привести к обратимой структурной трансформации при агрегации/дезагрегации. ^[8] Другие примеры фазовой стабильности, зависящей от размера, включают системы Al ₂ O ₃ , ^[9] ЗрО ₂ , ^[10] C, CdS, BaTiO ₃ , Fe ₂ O ₃ , Cr ₂ O ₃ , Mn ₂ O ₃ , Nb ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ и Au-Sb.
Кинетика фазовых превращений зависит от размера, и превращения обычно происходят при низких температурах (менее нескольких сотен градусов). В таких условиях скорость поверхностного и объемного зародышеобразования низкая из-за их высоких энергий активации. Таким образом, фазовое превращение происходит преимущественно за счет зародышеобразования на границе раздела. ^[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]
Зависимая от размера адсорбция на наночастицах ^[14]^[15] и окисление наноминералов. ^[16]

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

Ссылки

^ Банфилд, Дж. Ф.; Чжан Х. Наночастицы в окружающей среде . Преподобный Минерал. и Геохим. 2001, 44, 1.
^ Ранаде, MR; Навроцкий А.; Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф.; Старейшина, С.Х.; Забан, А.; Борс, штат Пенсильвания; Кулкарни, СК; Доран, Г.С.; Уитфилд, Х.Дж. Энергетика нанокристаллического TiO ₂ . ПНАС 2002, 99 (Приложение 2), 6476.
^ Пенн, РЛ (1998). «Несовершенное ориентированное прикрепление: генерация дислокаций в бездефектных нанокристаллах». Наука . 281 (5379): 969–971. Бибкод : 1998Sci...281..969L . дои : 10.1126/science.281.5379.969 . ПМИД 9703506 .
^ Банфилд, Дж. Ф. (2000). «Агрегационный рост кристаллов и развитие микроструктуры в продуктах биоминерализации природного оксигидроксида железа». Наука . 289 (5480): 751–754. Бибкод : 2000Sci...289..751B . дои : 10.1126/science.289.5480.751 . ПМИД 10926531 .
^ Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Термодинамический анализ фазовой стабильности нанокристаллического титана . Дж. Матер. хим. 1998, 8, 2073.
^ Чжан, Х.; Хуанг, Ф.; Гилберт, Б.; Банфилд, Дж. Ф. Молекулярно-динамическое моделирование, термодинамический анализ и экспериментальное исследование фазовой стабильности наночастиц сульфида цинка . Дж. Физ. хим. Б 2003, 107, 13051.
^ Чжан, Хэнчжун; Гилберт, Бенджамин; Хуан, Фэн; Банфилд, Джиллиан Ф. (2003). «Преобразование структуры наночастиц под действием воды при комнатной температуре». Природа . 424 (6952): 1025–1029. Бибкод : 2003Natur.424.1025Z . дои : 10.1038/nature01845 . ПМИД 12944961 . S2CID 4364403 .
^ Хуан, Фэн; Гилберт, Бенджамин; Чжан, Хэнчжун; Банфилд, Джиллиан Ф. (2004). «Обратимая трансформация структуры, контролируемая поверхностью, в наночастицах, вызванная агрегатным состоянием». Письма о физических отзывах . 92 (15): 155501. Бибкод : 2004PhRvL..92o5501H . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.155501 . ПМИД 15169293 . S2CID 21873269 .
^ 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 .
^ Питчер, МВт; Ушаков С.В.; Навроцкий А.; Вудфилд, БФ; Ли, Г.; Боэрио-Гоутс, Дж.; Ткань, кроссоверы BM Energy в нанокристаллическом диоксиде циркония . Дж. Ам. Керамический Соц. 2005, 88, 160.
^ Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Новая кинетическая модель превращения нанокристаллического анатаза в рутил, показывающая зависимость скорости от количества частиц . Являюсь. Минерал. 1999, 84, 528.
^ Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Фазовое превращение нанокристаллического анатаза в рутил посредством комбинированного интерфейса и поверхностного зародышеобразования ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}. Дж. Матер. Рез. 2000, 15, 437
^ Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Полиморфные превращения и укрупнение частиц в нанокристаллических керамических порошках и мембранах из диоксида титана . Дж. Физ. хим. С 2007, 111, 6621.
^ Чжан, Х.; Пенн, РЛ; Хамерс, Р.Дж.; Банфилд, Дж. Ф. Повышенная адсорбция молекул на поверхности нанокристаллических частиц . Дж. Физ. хим. Б 1999, 103, 4656.
^ Мэдден, Эндрю С.; Хочелла, Майкл Ф .; Лакстон, Тодд П. (2006). «Изучение реакционной способности наноминеральных поверхностей гематита в зависимости от размера за счет сорбции Cu2+». Geochimica et Cosmochimica Acta . 70 (16): 4095–4104. Бибкод : 2006GeCoA..70.4095M . дои : 10.1016/j.gca.2006.06.1366 .
^ Мэдден, Эндрю С.; Хочелла, Майкл Ф. (2005). «Тест геохимической реактивности в зависимости от размера минерала: окисление марганца, которому способствуют наночастицы гематита». Geochimica et Cosmochimica Acta . 69 (2): 389–398. Бибкод : 2005GeCoA..69..389M . дои : 10.1016/j.gca.2004.06.035 .

Дальнейшее чтение

Баргар, младший; Бернье-Латмани, Р.; Джаммар, Делавэр; Тебо, Б.М. (1 декабря 2008 г.). «Биогенные наночастицы уранинита и их значение для восстановления урана» . Элементы . 4 (6): 407–412. дои : 10.2113/gselements.4.6.407 .
Бусек, PR; Адачи, К. (1 декабря 2008 г.). «Наночастицы в атмосфере». Элементы . 4 (6): 389–394. дои : 10.2113/gselements.4.6.389 .
Тенг, БКГ; Юань, Г. (1 декабря 2008 г.). «Наночастицы в почвенной среде». Элементы . 4 (6): 395–399. дои : 10.2113/gselements.4.6.395 .
Хочелла, МФ (1 декабря 2006 г.). «Дело в пользу наногеонауки» . Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1093 (1): 108–122. Бибкод : 2006NYASA1093..108H . дои : 10.1196/анналы.1382.008 . ПМИД 17312255 . S2CID 39883509 .
Хочелла, МФ (1 декабря 2008 г.). «Наногеонаука: от истоков к передовым приложениям». Элементы . 4 (6): 373–379. дои : 10.2113/gselements.4.6.373 .
Кроц, Дэн (26 августа 2002 г.). «План будущего наногеонауки» . Научный бит . Калифорнийский университет в Беркли. Лаборатория Беркли . Проверено 11 мая 2018 г.
Лоуэр, Стивен К.; Хочелла, Майкл Ф.; Банфилд, Джиллиан Ф.; Россо, Кевин М. (2002). «Наногеонаука: От движения электронов к литосферным плитам» . Эос, Труды Американского геофизического союза . 83 (6): 53. Бибкод : 2002EOSTr..83...53L . дои : 10.1029/2002EO000036 .
Тенг, БКГ; Юань, Г. (1 декабря 2008 г.). «Наночастицы в почвенной среде». Элементы . 4 (6): 395–399. дои : 10.2113/gselements.4.6.395 .
Уэйчунас, Джорджия; Чжан, Х. (1 декабря 2008 г.). «Структура, химия и свойства минеральных наночастиц» . Элементы . 4 (6): 381–387. дои : 10.2113/gselements.4.6.381 . S2CID 93011769 .
Чжан, Реньи; Хализов, Алексей; Ван, Линь; Ху, Мин; Сюй, Вэнь (ноябрь 2011 г.). «Зарождение и рост наночастиц в атмосфере». Химические обзоры . 112 (3): 1957–2011. дои : 10.1021/cr2001756 . ПМИД 22044487 .

Внешние ссылки

Оглавление спецвыпуска по наногеонауке ( журнал Elements )

Исследовательские группы по наногеонаукам:

[1] Банфилд, Дж. Ф.; Чжан Х. Наночастицы в окружающей среде . Преподобный Минерал. и Геохим. 2001, 44, 1.

[2] Ранаде, MR; Навроцкий А.; Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф.; Старейшина, С.Х.; Забан, А.; Борс, штат Пенсильвания; Кулкарни, СК; Доран, Г.С.; Уитфилд, Х.Дж. Энергетика нанокристаллического TiO ₂ . ПНАС 2002, 99 (Приложение 2), 6476.

[3] Пенн, РЛ (1998). «Несовершенное ориентированное прикрепление: генерация дислокаций в бездефектных нанокристаллах». Наука . 281 (5379): 969–971. Бибкод : 1998Sci...281..969L . дои : 10.1126/science.281.5379.969 . ПМИД 9703506 .

[4] Банфилд, Дж. Ф. (2000). «Агрегационный рост кристаллов и развитие микроструктуры в продуктах биоминерализации природного оксигидроксида железа». Наука . 289 (5480): 751–754. Бибкод : 2000Sci...289..751B . дои : 10.1126/science.289.5480.751 . ПМИД 10926531 .

[5] Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Термодинамический анализ фазовой стабильности нанокристаллического титана . Дж. Матер. хим. 1998, 8, 2073.

[6] Чжан, Х.; Хуанг, Ф.; Гилберт, Б.; Банфилд, Дж. Ф. Молекулярно-динамическое моделирование, термодинамический анализ и экспериментальное исследование фазовой стабильности наночастиц сульфида цинка . Дж. Физ. хим. Б 2003, 107, 13051.

[7] Чжан, Хэнчжун; Гилберт, Бенджамин; Хуан, Фэн; Банфилд, Джиллиан Ф. (2003). «Преобразование структуры наночастиц под действием воды при комнатной температуре». Природа . 424 (6952): 1025–1029. Бибкод : 2003Natur.424.1025Z . дои : 10.1038/nature01845 . ПМИД 12944961 . S2CID 4364403 .

[8] Хуан, Фэн; Гилберт, Бенджамин; Чжан, Хэнчжун; Банфилд, Джиллиан Ф. (2004). «Обратимая трансформация структуры, контролируемая поверхностью, в наночастицах, вызванная агрегатным состоянием». Письма о физических отзывах . 92 (15): 155501. Бибкод : 2004PhRvL..92o5501H . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.155501 . ПМИД 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, МВт; Ушаков С.В.; Навроцкий А.; Вудфилд, БФ; Ли, Г.; Боэрио-Гоутс, Дж.; Ткань, кроссоверы BM Energy в нанокристаллическом диоксиде циркония . Дж. Ам. Керамический Соц. 2005, 88, 160.

[11] Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Новая кинетическая модель превращения нанокристаллического анатаза в рутил, показывающая зависимость скорости от количества частиц . Являюсь. Минерал. 1999, 84, 528.

[12] Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Фазовое превращение нанокристаллического анатаза в рутил посредством комбинированного интерфейса и поверхностного зародышеобразования ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}. Дж. Матер. Рез. 2000, 15, 437

[13] Чжан, Х.; Банфилд, Дж. Ф. Полиморфные превращения и укрупнение частиц в нанокристаллических керамических порошках и мембранах из диоксида титана . Дж. Физ. хим. С 2007, 111, 6621.

[14] Чжан, Х.; Пенн, РЛ; Хамерс, Р.Дж.; Банфилд, Дж. Ф. Повышенная адсорбция молекул на поверхности нанокристаллических частиц . Дж. Физ. хим. Б 1999, 103, 4656.

[15] Мэдден, Эндрю С.; Хочелла, Майкл Ф .; Лакстон, Тодд П. (2006). «Изучение реакционной способности наноминеральных поверхностей гематита в зависимости от размера за счет сорбции Cu2+». Geochimica et Cosmochimica Acta . 70 (16): 4095–4104. Бибкод : 2006GeCoA..70.4095M . дои : 10.1016/j.gca.2006.06.1366 .

[16] Мэдден, Эндрю С.; Хочелла, Майкл Ф. (2005). «Тест геохимической реактивности в зависимости от размера минерала: окисление марганца, которому способствуют наночастицы гематита». Geochimica et Cosmochimica Acta . 69 (2): 389–398. Бибкод : 2005GeCoA..69..389M . дои : 10.1016/j.gca.2004.06.035 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]