Nanogeoscience - Nanogeoscience

Nanogeoscience je studium nanoměřítkových jevů souvisejících s geologickými systémy. Toto se převážně zkoumá studiem životního prostředí nanočástice mezi 1–100 nanometry. Mezi další použitelné studijní obory patří studium materiálů s alespoň jednou dimenzí omezenou na nanoměřítko (např. Tenké vrstvy, uzavřené tekutiny) a přenos energie, elektronů, protonů a hmoty přes rozhraní prostředí.

Atmosféra

Jak více prachu vstupuje do atmosféry v důsledku následků lidské činnosti (od přímých účinků, jako je čištění půdy a dezertifikace, versus nepřímých účinků, jako je globální oteplování), je stále důležitější porozumět účinkům minerálního prachu na plynné složení atmosféry, tvorba mraků podmínky a globální průměr radiační působení (tj. topné nebo chladicí účinky).

Oceán

Oceánografové obecně studují částice, které měří 0,2 mikrometru a větší, což znamená, že mnoho nanočástic není zkoumáno, zejména s ohledem na mechanismy formování.

Půdy

Nanověda o vodě – skále – bakterie
Ačkoli to v žádném případě není rozvinuto, téměř všechny aspekty (jak geo-, tak bioprocesy) z zvětrávání, věda o interakci půdy a vody a hornin je neúprosně spojena s nanovědou. V blízkém povrchu Země jsou materiály, které se rozkládají, a materiály, které se vyrábějí, často v režimu nanoměřítku. Dále, protože organické molekuly, jednoduché a složité, stejně jako bakterie a veškerá flóra a fauna v půdách a horninách interagují s přítomnými minerálními složkami, jsou nanodimenzionální a nanoměřítkové procesy na denním pořádku.
Nanověda o transportu kovů
Na souši vědci zkoumají, jak nanosované minerály zachycují z půdy toxiny, jako je arsen, měď a olovo. Usnadnění tohoto procesu, tzv sanace půdy, je ošemetná věc.

Nanogeověda je v relativně rané fázi vývoje. Budoucí směry nanovědy v geovědách budou zahrnovat stanovení identity, distribuce a neobvyklých chemických vlastností nanosized částic a / nebo filmů v oceánech, na kontinentech a v atmosféře a jak řídí neočekávané procesy Země způsoby. Nanotechnologie budou dále klíčem k vývoji nové generace systémů pro snímání Země a životního prostředí.

Stabilita a reaktivita nanočástic závislá na velikosti

Nanogeověda se zabývá strukturami, vlastnostmi a chováním nanočástic v půdách, vodních systémech a atmosférách. Jedním z klíčových rysů nanočástic je závislost stability a reaktivity nanočástic na velikosti.[1] To vyplývá z velké specifické povrchové plochy a rozdílů v povrchové atomové struktuře nanočástic při malých velikostech částic. Obecně platí, že energie zdarma nanočástic je nepřímo úměrný jejich velikosti částic. U materiálů, které mohou přijímat dvě nebo více struktur, může volná energie závislá na velikosti vést k přechodu fázové stability při určitých velikostech.[2] Redukce volné energie podporuje růst krystalů (atom za atomem nebo orientovaným připojením) [3][4]), který může opět řídit fázovou transformaci v důsledku změny relativní fázové stability při zvyšování velikosti. Tyto procesy ovlivňují povrchovou reaktivitu a mobilitu nanočástic v přírodních systémech.

Dobře identifikované fenomény nanočástic závislé na velikosti zahrnují:

  • Obrácení fázové stability objemových (makroskopických) částic při malých velikostech. Méně stabilní objemová fáze při nízké teplotě (a / nebo nízkém tlaku) se obvykle stává stabilnější než objemově stabilní fáze, protože velikost částic klesá pod určitou kritickou velikost. Například hromadně anatase (TiO2) je metastabilní, pokud jde o objem rutil (TiO2). Ve vzduchu se však anatáza stává stabilnější než rutil při velikosti částic pod 14 nm.[5] Podobně pod 1293 K, wurtzite (ZnS) je méně stabilní než sfalerit (ZnS). Ve vakuu se wurtzit stává stabilnějším než sfalerit, když je velikost částic menší než 7 nm při 300 K.[6] Při velmi malých velikostech částic může přidání vody na povrch nanočástic ZnS vyvolat změnu struktury nanočástic [7] a interakce povrch-povrch mohou vést k reverzibilní strukturální transformaci po agregaci / dezagregaci.[8] Další příklady fázové stability závislé na velikosti zahrnují systémy Al2Ó3,[9] ZrO2,[10] C, CdS, BaTiO3, Fe2Ó3, Cr2Ó3, Mn2Ó3, Nb2Ó3, Y2Ó3a Au-Sb.
  • Kinetika fázové transformace je závislá na velikosti a transformace se obvykle vyskytují při nízkých teplotách (méně než několik stovek stupňů). Za takových podmínek jsou rychlosti povrchové nukleace a hromadné nukleace nízké kvůli jejich vysokým aktivačním energiím. K fázové transformaci tedy dochází převážně nukleací rozhraní [11] to závisí na kontaktu mezi nanočásticemi. V důsledku toho je rychlost transformace závislá na počtu (velikosti) částic a probíhá rychleji v hustě zabalených (nebo vysoce agregovaných) než ve volně zabalených nanočásticích.[12] V nanočásticích často dochází ke komplexní souběžné fázové transformaci a zhrubnutí částic.[13]
  • Velikostně závislá adsorpce na nanočástice [14][15] a oxidace nanominerálů.[16]

Tyto vlastnosti závislé na velikosti zdůrazňují význam velikosti částic ve stabilitě a reaktivitě nanočástic.

Reference

  1. ^ Banfield, J. F .; Zhang, H. Nanočástice v životním prostředí. Rev. Mineral. & Geochem. 2001, 44, 1.
  2. ^ Ranade, M. R.; Navrotsky, A .; Zhang, H .; Banfield, J. F .; Elder, S. H .; Zaban, A .; Borse, P. H .; Kulkarni, S. K .; Doran, G. S .; Whitfield, H. J. Energetika nanokrystalického TiO2. PNAS 2002, 99 (Suppl 2), 6476.
  3. ^ Penn, R.L. (1998). „Příloha s nedokonalým zaměřením: generace dislokací v nanokrystalech bez vad“. Věda. 281 (5379): 969–971. Bibcode:1998Sci ... 281..969L. doi:10.1126 / science.281.5379.969. PMID  9703506.
  4. ^ Banfield, J. F. (2000). „Růst krystalů na bázi agregace a vývoj mikrostruktury v přírodních biomineralizačních produktech oxyhydroxidu železa“. Věda. 289 (5480): 751–754. Bibcode:2000Sci ... 289..751B. doi:10.1126 / science.289.5480.751. PMID  10926531.
  5. ^ Zhang, H .; Banfield, J. F. Termodynamická analýza fázové stability nanokrystalického titanu. J. Mater. Chem. 1998, 8, 2073.
  6. ^ Zhang, H .; Huang, F .; Gilbert, B .; Banfield, J. F. Simulace molekulární dynamiky, termodynamická analýza a experimentální studium fázové stability nanočástic sulfidu zinečnatého. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13051.
  7. ^ Zhang, Hengzhong; Gilbert, Benjamin; Huang, Feng; Banfield, Jillian F. (2003). "Transformace struktury řízené vodou v nanočásticích při pokojové teplotě". Příroda. 424 (6952): 1025–1029. Bibcode:2003 Natur.424.1025Z. doi:10.1038 / nature01845. PMID  12944961. S2CID  4364403.
  8. ^ Huang, Feng; Gilbert, Benjamin; Zhang, Hengzhong; Banfield, Jillian F. (2004). „Reverzibilní, povrchově řízená transformace struktury v nanočásticích vyvolaná stavem agregace“. Dopisy o fyzické kontrole. 92 (15): 155501. Bibcode:2004PhRvL..92o5501H. doi:10.1103 / PhysRevLett.92.155501. PMID  15169293. S2CID  21873269.
  9. ^ McHale, J. M. (1997). „Povrchové energie a termodynamická fázová stabilita v nanokrystalických hlinících“. Věda. 277 (5327): 788–791. doi:10.1126 / science.277.5327.788.
  10. ^ Pitcher, M. W .; Ushakov, S. V .; Navrotsky, A .; Woodfield, B. F .; Li, G .; Boerio-Goates, J .; Tkáň, B. M. Přechody energie v nanokrystalickém zirkoniu. J. Am. Keramický soc. 2005, 88, 160.
  11. ^ Zhang, H .; Banfield, J. F. Nový kinetický model transformace nanokrystalické anatasy na rutil odhalující závislost rychlosti na počtu částic. Dopoledne. Minerální. 1999, 84, 528.
  12. ^ Zhang, H .; Banfield, J. F. Fázová transformace nanokrystalické anatasy na rutil prostřednictvím kombinovaného rozhraní a povrchové nukleace. J. Mater. Res. 2000, 15, 437
  13. ^ Zhang, H .; Banfield, J. F. Polymorfní transformace a zhrubnutí částic v nanokrystalických titanových keramických prášcích a membránách. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6621.
  14. ^ Zhang, H .; Penn, R.L .; Hamers, R. J .; Banfield, J. F. Zvýšená adsorpce molekul na povrchy nanokrystalických částic. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4656.
  15. ^ Madden, Andrew S .; Hochella, Michael F .; Luxton, Todd P. (2006). "Pohledy na velikostně závislou reaktivitu nanominerálních povrchů hematitu prostřednictvím sorpce Cu2 +". Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (16): 4095–4104. Bibcode:2006GeCoA..70,4095 mil. doi:10.1016 / j.gca.2006.06.1366.
  16. ^ Madden, Andrew S .; Hochella, Michael F. (2005). „Test geochemické reaktivity jako funkce minerální velikosti: oxidace manganu podporovaná hematitovými nanočásticemi“. Geochimica et Cosmochimica Acta. 69 (2): 389–398. Bibcode:2005GeCoA..69..389M. doi:10.1016 / j.gca.2004.06.035.

Další čtení

externí odkazy

Skupiny pro výzkum nanogeovědy: