Science：天然礦物在帶電水微滴中自發風化形成納米材料

一、 【科學背景】??

在垂直節理發育的紅色砂巖地區的丹霞地貌，片巖地區常見的梳狀地形和花崗巖區的石蛋地形等。這些在地球上存在這的不同風格的地貌，都是由于自然風化形成的。其形態與巖石性質、地層產狀以及地質構造發育程度有很密切的關系。在自然環境中，礦物的風化是一個緩慢而持續的過程，對于土壤的形成和地球化學循環具有重要意義。這一過程通常需要經歷長久的時間，隨著近年來納米技術的興起，科學家們開始探索一種更快速的方式來促進礦物的風化，以期在更短的時間內形成納米級別的礦物顆粒。這一探索不僅對理解自然界中風化過程的機制具有重要意義，也為納米材料的合成提供新的途徑。印度理工學院化學系Thalappil Pradeep團隊，揭示了一種新穎的礦物風化機制：在帶電的水微滴中，常見礦物如石英和紅寶石能夠在毫秒級時間內自發分解形成納米粒子。相關研究成果以“Spontaneous weathering of natural minerals in charged water microdroplets forms nanomaterials”為題目發表在國際頂級期刊Science上。

二、【科學貢獻】

當集成到通過電噴霧產生的水性微滴中時，將石英和紅寶石等微米級的天然礦物轉化為 5 至 10 納米的顆粒。將液滴沉積在基底上，從而可以對納米粒子進行表征。通過模擬確定石英會經歷質子引起的滑移，特別是當尺寸減小并暴露于電場時。這導致顆粒分裂和硅酸鹽碎片的形成，通過質譜證實了這一點。

圖1天然石英在微滴中的分解過程。? 2024 Science

圖2 天然和合成氧化鋁在微滴中的分解過程。? 2024 Science

圖3通過第一原理模擬觀察裂解和表面重構過程。? 2024 Science

圖4堆疊斷層或滑移局部位于 (010) 平面。? 2024 Science

圖5二氧化硅樣品的質譜圖。? 2024 Science

三、【 創新點】?

1．通過電噴霧技術生成含礦物的微水滴，將其沉積在基底上進行納米粒子的表征。

2.通過模擬和質譜分析，研究者發現石英在電場作用下，由于質子誘導的滑移效應，特別是在尺寸減小的情況下，會發生顆粒斷裂，形成硅酸鹽碎片。

四、【 科學啟迪】

在實驗中，制備了天然石英（SiO₂）和紅寶石（Cr-取代的 Al₂O₃）的微米級顆粒，供電噴霧裝置使用。研究團隊通過電噴霧技術生成含礦物的微水滴，并將其沉積在基底上進行納米粒子的表征。正如已經證明的情況，在適當的條件下，電噴霧微滴可以擊碎堅硬的顆粒。研究突顯了帶電微滴在前所未有的風化過程中的作用。礦物的解體產生了新生表面，這些表面可能參與了催化反應，在活性物種存在的情況下導致水滴中發生新的化學轉化。該研究的創新之處在于揭示了帶電水微滴在礦物風化中的關鍵作用，這一發現可能對土壤形成和大氣中的帶電氣溶膠的地球化學過程產生深遠影響。大氣中的水滴，如云和霧，不僅會因為其內部存在的離子物種而帶電，還會因為接觸帶電而帶電。“微液滴雨”由落在地球上的納米粒子和分子組成，可能對地球的化學和生物進化具有重要意義。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl3364