矿物学、材料科学、能源与环境:2015 年展望

刘大为译 王铭晗审

矿物学既是基础学科又是应用学科,“基础”在于其从原子尺度去认识矿物的结构、特性和反应性质,“应用”则在更广义上与地质学、行星过程、环境问题和材料科学相关联。本文概要介绍了2015 年矿物学与这些领域的相互作用和融合机会。重点是从最广义上强调了地球管理工作需要矿物学,而且确实有必要。

1 引言

对矿物学的认知不仅仅构成了对技术进步或者大笔资金、同时也是对地球管理工作的支撑。在认识到作为科学家同时也是研究者的责任以后,笔者写这篇评论介绍了矿物学、技术和环境问题之间的共生关系,并指出了该领域未来的机遇。尽管国家的政策和政治与科学技术被迫联系在一起,但它们不是本文所主要关注的。由于篇幅较短,因此引用的参考文献数量有限且有选择,而且有可能参考文献本身也是概述或综述。

矿物学与材料科学还有许多其他交叉点。两者都由于混合材料、生物矿化、技术材料的微生物合成以及当前在一些医学的热点领域使用功能化的纳米颗粒而模糊了有机和无机之间的区别。两者均利用磁性来进行样品处理或指示地质历史。两者都愈加重视对环境的影响及固体(工业污染和天然矿物)在水和大气环境中所起的催化和引导化学反应方向的作用。本文仅举出具有这样共性的几个例子。

2 矿物学和材料科学之间的“多孔”界面

尽管存在差异,但矿物学和材料科学两个领域仍有许多共通之处。两者的研究对象通常都是相似矿物族的材料,例如钙钛矿、尖晶石、石榴石、沸石类、铁的和锰的氧化物等。两者均需要结构、键合及热力学性质方面的基础知识。两者均采用现代实验和计算方法。以这些共同点为基础,本篇评述指出了二者相互重合、可协作和互补的地方,以及未来可交流的机会。

3 概念、技术、中心

矿物学和材料科学之间的关系可以用一个简单的画面来反映,矿物学家站在固态物理学家的肩膀上去学习基本概念并利用现代仪器。然而现实往往并不是并行发展的,矿物学(或者矿物物理学)已经在几个领域中处于领先地位。
下面,作者将给出几个将矿物学(矿物物理学)和材料科学结合起来的研究实例,并对未来进行展望。

4 钙钛矿

钙钛矿的结构(见图1)在材料学和地球科学中都很常见。不过,材料学家仍然没有认识到:尽管由于在球外环境中的不稳定而难以获取,但MgSiO3钙钛矿可能是地球上唯一的含量最丰富的矿物。

图1 钙钛矿结构示意图

图1 钙钛矿结构示意图

5 纳米相材料

在低温水溶液环境中,矿物通常以细颗粒形式(纳米相)沉淀,而且在很长时间内保持细粒状态而不变粗。实验室或工业规模的化学合成也与此相似,最初的纳米相沉淀是无定形或结晶度很低的,只有加热后这些细粒物质才能逐渐转化为粗粒的稳定态集合体。矿物学和材料科学感兴趣的纳米材料包括铝和铁氧化物、氧化钛和二氧化硅。图2 给出了一个氧化锰的例子。

图2 本体材料(左)和10nm 的含水纳米颗粒(右)的Mn-O 系统的相平衡图

图2 本体材料(左)和10nm 的含水纳米颗粒(右)的Mn-O 系统的相平衡图

6 主客体的相互作用和限制

被限制在固体表面附近的分子与表面相互作用强烈,并且与在无限制状态下相同分子的性质也不同,这一事实正逐渐清晰。固体表面可能是大致平坦的,也可能存在许多较小的平面或曲面。限制(confinement)可能发生在二维(矿物- 水界面)或三维(孔隙内部)层面。在孔隙中,多孔物质是主体,被限制的分子是客体。孔隙可能有特定大小,在结晶物质内部有规律地重复排列(图3),例如沸石、介孔材料或金属有机骨架(MOF)。

图3 沸石、介孔二氧化硅和金属有机框架(MOF)的动力学特性
图3 沸石、介孔二氧化硅和金属有机框架(MOF)的动力学特性

7 战略和关键原料

技术对于真正稀缺的和所谓的关键原料而言是非常脆弱的,这些关键原料主要受地缘政治因素的影响,包括稀土、锂、碲和其他原料等,各级政府部门都越来越关心这一问题。

8 核燃料循环

无论核能源的长远发展趋势如何,未来数年内核电站反应堆将在很多国家中保持活跃,核废料的安全处理和管理仍然是一个主要问题。

9 展望

对地球物质的研究不断发展,涉及到了更加广泛而多样化的社会相关问题,需要将实验方法和计算方法以不同方式联合起来使用。

Alexandra Navrotsky. Mineralogy, materials science, energy, and environment:A 2015 perspective. American Mineralogist, 2015, 100(4): 674-680.

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