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广州地化所在粘土矿物伊毛缟石(Imogolite)的形成机制上取得新认识
发表日期: 2017-12-18
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  伊毛缟石(OH)3Al2O3SiOH是自然界中为数很少的天然纳米矿物(指仅存在纳米尺寸相)之一。它具有单壁管状纳米结构,由卷曲的三水铝石片构成管外骨架,管内侧为原硅酸基团O3SiOH)。伊毛缟石广泛分布在火山作用衍生的沉积环境(如火山灰或凝灰岩的蚀变土壤)中,是由氧化硅和氧化铝溶胶共沉淀并在特定条件下晶化形成,常与埃洛石、水铝英石等矿物共生或伴生。日本、新西兰和我国一些地区均已发现伊毛缟石产出,厄瓜多尔曾发现厚度约10m、面积达4000km2的水铝英石-伊毛缟石沉积层。而较纯的天然伊毛缟石往往以“凝胶膜”的形式存在于一些浮石层、风化火山灰沉积物下的未风化碎石层和玄武岩质残余土中。 

  相比其它大多数粘土矿物,伊毛缟石的矿物学和地球化学性质的研究程度很低。这是由于伊毛缟石颗粒极为细微(外径约为2纳米,内径仅为1纳米,管长仅几百纳米)且结构有序度低,其在电子束下的相稳定性差,故采用透射电子显微镜等手段对其进行形貌、结构研究十分困难。从而,对伊毛缟石的形成机制问题一直缺乏较明确的认识,尤其是对其形成过程中的中间产物体罕有报道。这限制了对与伊毛缟石、水铝英石等纳米矿物相关的地球物质循环过程机制的深入理解。 

  近期,中科院广州地球化学研究所矿物表-界面作用学科组袁鹏研究组通过开展伊毛缟石的模拟合成研究,探索了火山灰沉积环境中伊毛缟石的形成、生长机制。该研究提出采用原子力显微镜(AFM)、魔角旋转核磁共振谱等手段研究伊毛缟石形成的全过程不同阶段产物的微观形貌、结构及硅铝的配位环境,系统探讨了前体物质转化为管状伊毛缟石的控制因素和机理。 

  研究取得了如下新认识: 

 1. 发现伊毛缟石形成初期,在亚纳米尺度上发生了球状开放型伊毛缟石局部结构(为一种卷曲的、内侧羟基被原硅酸基团取代的三水铝石片段;简称作ImoLS)向管状开放型ImoLS的转化。 

 2. 提出伊毛缟石形成的五阶段模式(图1):i)硅和铝水解形成的非晶质前体(简单低聚物等);ii)伴随无定型前体的消耗,开放型ImoLS形成;iii)开放型ImoLS主导,进一步生长、组装成闭合型ImoLS(管状或球状);iv)闭合型ImoLS主导,继续增多(管状为主);v)开放型ImoLS基本转化为管状闭合伊毛缟石,并持续通过定向聚合方式生长。 

  该研究结果提供了天然胶凝条件下开放型ImoLS(包括原伊毛缟石和原水铝英石)向闭合型ImoLS(即伊毛缟石和水铝英石)转化的确切信息,为理解伊毛缟石和水铝英石的共生产出现象提供了依据。该研究指出,伊毛缟石形成初期发生的球状形貌向管状形貌的转化率,是影响土壤中伊毛缟石和水铝英石比例的重要因素。研究还发现,形成纯相伊毛缟石的条件总体上较为严苛,即只有当Si/Al保持在一较窄范围内才能避免三水铝石等杂相的生成,这解释了天然伊毛缟石纯相产出较少的现象。此外,该研究证实了AFM作为伊毛缟石、水铝英石等超微纳米矿物形貌、结构研究的有效性,并提供了相应的获得高分散样品的制样方法。 

  

1. 伊毛缟石生长、形成的五阶段模式示意图 

  该成果全文发表于Applied Clay Science,论文第一作者为博士研究生杜培鑫。研究工作获得了国家自然科学基金、中科院青年促进会优秀会员项目和国家外专局/中国科学院创新国际团队项目资助。 

    论文信息: 

  Peixin Du, Peng Yuan*, Antoine Thill, Faïza Annabi-Bergaya, Dong Liu, Shun Wang. (2017) Insights into the formation mechanism of imogolite from a full-range observation of its sol-gel growth. Applied Clay Science, 150, 115-124. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.clay.2017.09.021

      全文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169131717304210?via%3Dihub 。

    

 中国科学院矿物学与成矿学重点实验室

 广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室

科技与规划处 供稿 

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