Наногеонаука изучает наноразмерные (очень маленькие) явления, связанные с геологическими системами. Наука занимается изучением структур, свойств и поведения наночастиц размером от 1 до 100 нанометров в почвах, водных системах и атмосфере.
Нанометр — одна миллиардная часть метра.
В 1905г. швейцарский физик Альберт Эйнштейн доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
Наногеонаука исследует работу природы в размерном пространстве, охватывающем от одного нанометра (нм) до 100 нм. В то время как ученые-геологи гордятся тем, что рассматривают очень крупномасштабные, очень сложные процессы, истоки почти всех геологических явлений глубоко уходят корнями в явления наноразмерного масштаба. Ближняя поверхность Земля состоит из того, что по консервативным оценкам составляет 1030 квадратных нм органических и биологических поверхностей. Эти два типа поверхностей взаимодействовали в течение более 3 миллиардов лет на нашей планете. Растущее число специалистов в области геологии работают в сложном наномасштабном мире и помогают расширять границы наногеонауки с помощью геологических исследований.
Корни наногеонауки
Корни наногеонауки можно проследить до истоков кристаллографии, геохимии и минералогии глин. Еще в 1913 году английские физики У. Х. Брэггом и У. Л. Брэгг использовали рентгеновские лучи для первого определения структуры кристаллов, многие из которых были минералами. Хотя большинство их исследований проводилось на уровне ангстрема (10-10 метра), они, возможно, были первыми, кто наблюдал один нанометр, когда измерили с-размер элементарной ячейки нафталина при 0,9 нм.
Большая аналогичная работа позволила В. М. Голду Шмидту, отцу современной геохимии,
составить первую таблицу ионных радиусов в 1926 году. Также в 1920-х годах исследователи, наконец, установили, что компоненты почв от микрометра до субмикрометра действительно были различными кристаллическими минералами, и родилась глинистая минералогия. Очевидно, что эти ученые-геологи и те, кто пошел по их стопам, помогли заложить основы того, что сейчас называется наногеонаукой.
Сама эта наука о малых геологических системах родилась, даже в принципе, гораздо позже.
Нобелевский лауреат Ричард Фейнман был одним из первых, кто сформулировал идею о том, что свойства сыпучих материалов не просто масштабируются. Фейнман показал возможность манипулирования отдельными атомами для создания материалов и хранения информации. Например, он подсчитал, что, представляя каждую букву алфавита 6-7 «битами» информации — где бит — это точка или тире, созданные 100 атомами, — вся информация, накопленная человечеством во всех книгах мира можно было бы написать в кубе из материала со стороной 200 мкм. Согласно Фейнману, наноразмерность предлагает «новые виды сил и новые виды возможностей, новые виды эффектов».
Пример этого можно продемонстрировать, взглянув на структуру графита, которая была определена давным-давно с помощью рентгеноструктурного анализа. Графит состоит из параллельных листов гексагональных (шестиэлементных) углеродных колец. Углерод-углеродные связи внутри этих параллельных листов значительно прочнее, чем между соседними листами.
Следовательно, графит обладает идеальной базальной спайностью. Если взять один лист графита диаметром в несколько нанометров и свернуть его в цилиндр, можно было бы создать то, что мы сейчас называем нанотрубками. Хотя нанотрубки и графит схожи по структуре, они обладают очень разными свойствами, потому что одно существует в наномасштабе, а другое — нет. Рассмотрим, например, модуль упругости — модуль Юнга, который является фундаментальной материальной константой, связывающей напряжение и деформацию. Это значение для графита составляет несколько ГПа (109 Паскалей), в то время как жесткость нанотрубки измеряется в ТПа (1012 Паскали). Это подчеркивает то, что считается одним из отличительных признаков нанонауки. То есть, когда размер материала приближается к размеру или шкале длины, связанной с определенным свойством — например, физическим, электрическим, механическим, магнитным, тепловым или кинетическим.
Свойства материала при наноразмерном значении
Свойства материала может изменяться когда его размер достигает наноразмерного значения.
Многие фундаментальные механизмы реакций протекают ниже размера 1 нм на уровне атомов. Прямое наблюдение за таким явлением было затруднено. Однако новые инструменты позволили непосредственно наблюдать элементарные реакции. Например, реакция в месте расположения одного атома на поверхности минерала может иметь глубокие эффекты, которые изменяют электронную структуру и реакционную способность соседних участков на расстоянии нескольких нанометров.
В одном из примеров квантово-механические вычисления и сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопия была использована для исследования способа, которым кислород и вода объединяются для окисления пирита. Пирит – минерал железа химического состава.
Первоначально молекулярный кислород адсорбируется на железе на поверхности пирита, образуя дискретные участки окисления, связанные рядами атомов железа вдоль диагонали поверхностной ячейки. Эти окисленные участки не имеют острых краев, но у них есть градация яркости, которая предполагает связь между окислением одного участка железа и электронная структура соседних участков в пределах близости 1 нм. Это происходит потому , что молекула кислорода, адсорбированная на одном атоме железа, вытягивает электроны из нижележащих и окружающих атомов железа и серы. В результате поверхностные атомы серы приобретают несколько более положительный заряд. Это позволяет молекулам воды осуществлять очень эффективную нуклеофильную атаку, которая окисляет серу. Основываясь на подобных наблюдениях, разрабатываются новые модели на наноуровне для описания фундаментального механизма реакции окисления минералов на минеральных поверхностях.
Взаимодействия биомолекул с минеральными поверхностями в нанопространстве
Взаимодействия между биомолекулами и минеральными поверхностями были вовлечены в зарождение жизни на Земле (например, минеральные поверхности могли служить шаблонами для синтеза нуклеиновых кислот и белков) и распределения микроорганизмов в природе. Как и в случае с исследованием, рассмотренным выше, новые методы позволяют раскрыть ранее неизвестные явления.
Инструмент, называемый силовой микроскопией, позволяет измерять кажущиеся бесконечно малыми силы которые управляют взаимодействиями между минеральной поверхностью и биомолекулами наноразмерного размера в живой бактерии.
Силовая микроскопия была использована для изучения реакций адгезии и переноса электронов между бактериями.
Помимо улучшения нашего понимания адгезии бактерий к поверхностям материалов, возможность прямого исследования взаимодействия клеток и минералов на наноуровне может привести к достижениям в области нанотехнологий. Например, теперь можно систематически адаптировать исключительную природную специфичность между биомолекулами, продуцируемыми живыми микроорганизмами, и поверхностями материалов для создания сложных наномасштабных моделей с различными химическими или структурными особенностями.
Зарождение и рост наночастиц
Становится ясно, что наночастицы встречаются во многих средах и что они контролируют многие геологически значимые процессы.
Чтобы полностью понять структуру и реакционную способность таких частиц, мы должны сначала понять, как они образуются. В классическом смысле рост — происходит путем добавления атом за атомом к неорганической или органической матрице. Однако рост наночастиц может подчиняться совершенно иному набору правил.
Например, наночастицы оксигидроксидов железа могут самособираться путем агрегирования и вращения, так что их структуры принимают параллельную ориентацию в трех измерениях.
Масштабы наноразмерной науки и техники, оказывается, совсем не малы. Глины смешиваются с полимерами для получения нанокомпозитов со структурными, температурными и барьерными свойствами, превосходящими свойства многих пластмасс. Эти наноматериалы из глины нашли применение в многомиллиардной упаковочной промышленности, также в качестве технических смол для автомобильной и промышленной продукции.
В еще одном примере достижений нанонауки новая теория, описывающая трение с точки зрения наномасштабов, может объяснить фундаментальные механизмы землетрясений.
Объекты способны скользить мимо друг друга, посылая нанометровые импульсы самовосстанавливающихся трещин вдоль границы раздела. Это может помочь объяснить геофизические парадоксы о тепле, генерируемом землетрясениями.
Кроме того, мы всегда должны быть готовы к тому, что каждое новое открытие, независимо от того, какая наука его предоставляет, может изменить выводы, которые мы делаем».
Возможно, ученым Земли пришло время еще раз разработать объединяющую теорию для описания Земли, но на этот раз с «нано-точки зрения».
