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納米地球科學

納米地球科學（Nanogeoscience）是研究與地質系統相關的納米尺度現象的學科。該學科主要通過研究環境中大小在1至100納米的納米顆粒來獲取信息。研究範圍還包括至少一維為納米尺度的材料（如：薄膜，受限流體）以及通過環境界面的能量、電子、質子和物質的傳遞。

大氣

由於人類活動（包括直接作用，如開墾荒地和荒漠化；和間接作用，如全球變暖），越來越多的粉塵進入到大氣中，致使了解礦物塵埃對大氣氣相組分、雲的形成條件以及全球平均輻射強度（即加熱和冷卻效應）的影響變得越來越重要。

海洋

海洋學家通常研究尺寸為0.2微米甚至更大的顆粒，這就意味着大量的納米顆粒未進行考察，特別有關其形成機理。

土壤

水－岩石－細菌納米科學

儘管並未得到發展，幾乎有關風化、土壤和水-岩石相互作用科學的所有方面（包括地球過程和生物過程）都與納米科學有關。在近地表，物質通常通常以納米狀態產生或分解。進而言之，無論是有機分子，簡單的或複雜的，還是土壤或岩石中的細菌以及整個植物界和動物界與礦物間的相互作用中，納米維度和納米尺寸過程每時每刻都在發生。

金屬輸送納米科學

在陸地上，研究者探討了納米化礦物如何從土壤中捕集有毒物質（如：砷、銅和鉛）。如何促進這一被稱為土壤修復的過程是一件棘手的事情。

納米地球科學處於發展的相對早期階段。地球科學中納米科學將來的方向包括確定海洋、陸地和大氣中納米粒子和納米膜的特徵、分佈和常見化學性質；以及它們是如何以不同尋常的方式推動整個地球過程。

納米顆粒的尺寸相關穩定性和反應性

納米地球科學探討土壤、水生系統和大氣中納米顆粒的結構、性質和行為。納米顆粒的一個重要特徵為納米顆粒穩定性和反應性的尺寸相關性。[1]它是由小顆粒尺寸時納米顆粒的大比表面和表面原子結構不同所引起的。通常，納米顆粒的表面能與其顆粒尺寸成反比。對於具有兩種甚至更多結構的材料，尺寸相關的自由能將導致特定尺寸下的相穩定性轉變。[2]自由能降低促進晶體（通過原子堆積或取向附生[3][4]）生長，而尺寸增加時相對相穩定性的變化又將再次引起相變。這些過程對天然系統中納米顆粒的反應性和遷移性都將造成影響。

已經明確識別的納米顆粒尺寸相關現象包括：

  • 宏觀大顆粒在小尺寸時的相穩定性反轉。通常，低溫（和/或低壓）時穩定性較差的體相在顆粒尺寸小於某一臨界尺寸時比體相穩定相更加穩定。例如，體相銳鈦礦（TiO2）與體相金紅石（TiO2）相比處於亞穩態。然而，當顆粒尺寸小於14nm時，銳鈦礦在空氣中比金紅石更加穩定。[5]同樣，纖鋅礦（ZnS）在1293 K以下不如閃鋅礦（ZnS）穩定。當顆粒小於7nm時，300K下處於真空中的纖鋅礦比閃鋅礦更加穩定。[6]當顆粒很小時，將水滴加到ZnS納米顆粒表面將引起納米顆粒結構的變化[7]，表面間的相互作用可以通過聚集和解離引發可逆的結構轉變。[8]其它尺寸相關相穩定性的粒子還包括Al2O3 [9]、ZrO2 [10]、碳、CdS、BaTiO3、Fe2O3、Cr2O3、Mn2O3、Nb2O3、Y2O3和Au-Sb體系。
  • 相轉變動力學是尺寸相關的，轉變通常在低溫下（低於幾百度）發生。在此條件下，由於其高活化能，表面成核和體相成核速率較低。因此，相轉變主要通過與納米顆粒間相互接觸相關的界面成核實現。[11]如此的結果是，轉變速率為顆粒數目（尺寸）相關，在緊密堆積（高度聚集）的納米顆粒中比鬆散堆積的納米顆粒中進行得更快。[12]複雜的同時相轉變和顆粒粗化常在納米顆粒中出現。[13]

這些尺寸相關性質凸顯出顆粒尺寸在納米顆粒穩定性和反應性中的重要性。

註釋

  1. ^ Banfield, J. F.; Zhang, H. Nanoparticles in the environment （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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. Energetics of nanocrystalline TiO2. PNAS 2002, 99 (Suppl 2), 6476.
  3. ^ Penn, R. L.; Banfield, J. F. Imperfect oriented attachment: dislocation generation in defect-free nanocrystals. Science 1998, 281, 969.
  4. ^ Banfield, J. F.; Welch, S. A.; Zhang, H.; Ebert, T. T.; Penn, R. L. Aggregation-based crystal growth and microstructure development in natural iron oxyhydroxide biomineralization products. Science 2000, 289, 751.
  5. ^ Zhang, H.; Banfield, J. F. Thermodynamic analysis of phase stability of nanocrystalline titania. J. Mater. Chem. 1998, 8, 2073.
  6. ^ Zhang, H.; Huang, F.; Gilbert, B.; Banfield, J. F. Molecular dynamics simulations, thermodynamics analysis and experimental study of phase stability of zinc sulfide nanoparticles. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13051.
  7. ^ Zhang, H; Gilbert, B.; Huang, F.; Banfield, J. F. Water-driven structure transformation in nanoparticles at room temperature. Nature 2003, 424, 1025.
  8. ^ Huang, F.; Gilbert, B.; Zhang, H.; Banfield, J. F. Reversible, surface-controlled structure transformation in nanoparticles induced by an aggregation state. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 155501.
  9. ^ McHale, J. M.; Auroux, A.; Perrotta, A. J.; Navrotsky, A. Surface energies and thermodynamic phase stability in nanocrystalline aluminas. Science 1997, 277, 788.
  10. ^ Pitcher, M. W.; Ushakov, S. V.; Navrotsky, A.; Woodfield, B. F.; Li, G.; Boerio-Goates, J.; Tissue, B. M. Energy crossovers in nanocrystalline zirconia Archive.is的存檔，存檔日期2011-08-13. J. Am. Ceramic Soc. 2005, 88, 160.
  11. ^ Zhang, H.; Banfield, J. F. New kinetic model for the nanocrystalline anatase-to-rutile transformation revealing rate dependence on number of particles （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Am. Mineral. 1999, 84, 528.
  12. ^ Zhang, H.; Banfield, J. F. Phase transformation of nanocrystalline anatase-to-rutile via combined interface and surface nucleation[失效連結]. J. Mater. Res. 2000, 15, 437
  13. ^ Zhang, H.; Banfield, J. F. Polymorphic transformations and particle coarsening in nanocrystalline titania ceramic powders and membranes. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6621.
  14. ^ Zhang, H.; Penn, R. L.; Hamers, R. J.; Banfield, J. F. Enhanced adsorption of molecules on surfaces of nanocrystalline particles. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4656.
  15. ^ Madden, A. S.; Hochella, M. F.; Luxton, T. P. Insights for size -dependent reactivity of hematite nanomineral surfaces through Cu2+ sorption. Geochim. Cosmochim. Acta 2006, 70, 4095.
  16. ^ Madden, A. S.; Hochella, M. F.A test of geochemical reactivity as a function of mineral size: manganese oxidation promoted by hematite nanoparticles. Geochim. Cosmoch. Acta 2005, 69, 389.

參考文獻

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