ナノジオサイエンス
地質システムに関連するナノスケール現象の研究

ナノジオサイエンスは 、地質システムに関連するナノスケールの現象を研究する分野です。主に、1～100ナノメートルの大きさの環境ナノ粒子を研究することで、この研究が進められます。その他の応用分野としては、少なくとも1つの次元がナノスケールに限定された物質（薄膜、閉じ込められた流体など）の研究や、環境界面を介したエネルギー、電子、陽子、物質の移動などが挙げられます。

雰囲気

人間の活動（土地の開墾や砂漠化などの直接的な影響と、地球温暖化などの間接的な影響）の影響により大気中に排出される塵が増えるにつれて、鉱物塵が大気のガス組成、雲の形成条件、地球全体の平均放射強制力（つまり、加熱または冷却効果）に与える影響を理解することがますます重要になります。

海

海洋学者は一般的に0.2マイクロメートル以上の粒子を研究しており、特に形成メカニズムに関しては、多くのナノスケールの粒子が調査されていないことになる。

土壌

水・岩石・細菌ナノサイエンス
風化、土壌、水と岩石の相互作用に関する科学は、未だ十分に発展していないものの、地質プロセスと生物プロセスの両方において、ほぼすべての側面がナノサイエンスと不可分に結びついています。地球の表層付近では、分解される物質も生成される物質も、しばしばナノスケール領域にあります。さらに、単純なものから複雑なものまで、有機分子、そして土壌や岩石中の細菌やあらゆる動植物が、存在する鉱物成分と相互作用するため、ナノ次元とナノスケールのプロセスが今や主流となっています。
金属輸送ナノサイエンス
陸上では、ナノサイズの鉱物が土壌からヒ素、銅、鉛などの毒素を捕捉する仕組みを研究しています。土壌浄化と呼ばれるこのプロセスを促進することは、容易ではありません。

ナノジオサイエンスはまだ発展の初期段階にあります。地球科学におけるナノサイエンスの将来の方向性としては、海洋、大陸、大気圏におけるナノサイズの粒子や薄膜の正体、分布、特異な化学的性質の解明、そしてそれらが地球のプロセスを予期せぬ形で駆動する仕組みの解明などが挙げられます。さらに、ナノテクノロジーは次世代の地球・環境センシングシステム開発の鍵となるでしょう。

ナノ粒子のサイズ依存的な安定性と反応性

ナノジオサイエンスは、土壌、水系、大気中におけるナノ粒子の構造、特性、挙動を扱っています。ナノ粒子の主な特徴の 1 つは、ナノ粒子の安定性と反応性のサイズ依存性です。[1]これは、ナノ粒子の比表面積が大きく、粒子サイズが小さい場合の表面原子構造が異なることに起因します。一般に、ナノ粒子の自由エネルギーは粒子サイズに反比例します。2 つ以上の構造をとれる材料の場合、サイズに依存する自由エネルギーによって、特定のサイズで相安定性のクロスオーバーが発生する可能性があります。[2]自由エネルギーの減少によって結晶成長(原子単位または配向付着による[3] [4] ) が促進され、サイズが大きくなると相対的な相安定性が変化することで相転移が促進される可能性があります。これらのプロセスは、自然界におけるナノ粒子の表面反応性と移動度に影響を及ぼします。

ナノ粒子のサイズに依存する現象としてよく知られているものには、次のようなものがあります。

  • 小さなサイズのバルク（マクロ）粒子の相安定性の反転。通常、低温（および/または低圧）での安定性の低いバルク相は、粒子サイズが特定の臨界サイズ以下に減少するにつれて、バルク安定相よりも安定になります。たとえば、バルクのアナターゼ（TiO 2 ）はバルクのルチル（TiO 2 ）に対して準安定です。しかし、空気中では、粒子サイズが14 nm未満の場合、アナターゼはルチルよりも安定になります。[5]同様に、1293 K未満では、ウルツ鉱（ZnS）は閃亜鉛鉱（ZnS）よりも安定性が低くなります。真空中では、300 Kで粒子サイズが7 nm未満の場合、ウルツ鉱は閃亜鉛鉱よりも安定になります。[6]非常に小さな粒子サイズでは、ZnSナノ粒子の表面に水を追加するとナノ粒子の構造変化が誘発され、[7]表面間相互作用により、凝集/脱凝集時に可逆的な構造変換が促進されます。[8] サイズ依存の相安定性の他の例としては、Al 2 O 3、[9] ZrO 2、[10] C、CdS、BaTiO 3、Fe 2 O 3、Cr 2 O 3、Mn 2 O 3、Nb 2 O 3、Y 2 O 3、Au-Sbの系が挙げられる。
  • 相変態の速度論は粒子サイズに依存し、通常は低温（数百度以下）で起こる。このような条件下では、表面核形成とバルク核形成の活性化エネルギーが高いため、その速度は遅い。したがって、相変態は主にナノ粒子間の接触に依存する界面核形成[11]を介して起こる。結果として、相変態速度は粒子数（サイズ）に依存し、密に詰まった（または高度に凝集した）ナノ粒子では、疎に詰まったナノ粒子よりも速く進行する。[12]ナノ粒子では、複雑な相変態と粒子粗大化が同時に起こることが多い。[13]
  • ナノ粒子上のサイズ依存吸着[14] [15]およびナノミネラルの酸化[16] 。

これらのサイズ依存特性は、ナノ粒子の安定性と反応性における粒子サイズの重要性を浮き彫りにします。

参考文献

  1. ^ Banfield, JF; Zhang, H. 環境中のナノ粒子。Rev. Mineral. & Geochem. 2001, 44, 1.
  2. ^ Ranade, MR; Navrotsky, A.; Zhang, H.; Banfield, JF; Elder, SH; Zaban, A.; Borse, PH; Kulkarni, SK; Doran, GS; Whitfield, HJ ナノ結晶TiO2のエネルギー論。PNAS 2002, 99 (Suppl 2), 6476。
  3. ^ Penn, RL (1998). 「不完全な配向付着：欠陥のないナノ結晶における転位生成」. Science . 281 (5379): 969– 971. Bibcode :1998Sci...281..969L. doi :10.1126/science.281.5379.969. PMID  9703506.
  4. ^ Banfield, JF (2000). 「天然鉄オキシ水酸化物バイオミネラリゼーション生成物における凝集に基づく結晶成長と微細構造発達」. Science . 289 (5480): 751– 754. Bibcode :2000Sci...289..751B. doi :10.1126/science.289.5480.751. PMID  10926531.
  5. ^ Zhang, H.; Banfield, JF ナノ結晶チタニアの相安定性の熱力学的解析 J. Mater. Chem. 1998, 8, 2073.
  6. ^ Zhang, H.; Huang, F.; Gilbert, B.; Banfield, JF 分子動力学シミュレーション、熱力学解析および硫化亜鉛ナノ粒子の相安定性に関する実験的研究 J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13051.
  7. ^ Zhang, Hengzhong; Gilbert, Benjamin; Huang, Feng; Banfield, Jillian F. (2003). 「室温での水によるナノ粒子の構造変化」. Nature . 424 (6952): 1025– 1029. Bibcode :2003Natur.424.1025Z. doi :10.1038/nature01845. PMID  12944961. S2CID  4364403.
  8. ^ Huang, Feng; Gilbert, Benjamin; Zhang, Hengzhong; Banfield, Jillian F. (2004). 「凝集状態によって引き起こされるナノ粒子の可逆的表面制御構造変化」. Physical Review Letters . 92 (15) 155501. Bibcode :2004PhRvL..92o5501H. doi :10.1103/PhysRevLett.92.155501. PMID  15169293. S2CID  21873269.
  9. ^ McHale, JM (1997). 「ナノ結晶アルミナの表面エネルギーと熱力学的相安定性」. Science . 277 (5327): 788– 791. doi :10.1126/science.277.5327.788.
  10. ^ Pitcher, MW; Ushakov, SV; Navrotsky, A.; Woodfield, BF; Li, G.; Boerio-Goates, J.; Tissue, BM「ナノ結晶ジルコニアにおけるエネルギークロスオーバー」J. Am. Ceramic Soc. 2005, 88, 160.
  11. ^ Zhang, H.; Banfield, JF ナノ結晶アナターゼからルチルへの変態速度の粒子数依存性を明らかにする新しい運動モデル Am. Mineral. 1999, 84, 528.
  12. ^ Zhang, H.; Banfield, JF 界面核形成と表面核形成の複合によるナノ結晶アナターゼからルチルへの相転移[ permanent dead link ] . J. Mater. Res. 2000, 15, 437
  13. ^ Zhang, H.; Banfield, JF ナノ結晶チタニアセラミック粉末および膜における多形転移と粒子粗大化 J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6621.
  14. ^ Zhang, H.; Penn, RL; Hamers, RJ; Banfield, JF ナノ結晶粒子表面における分子の吸着の増強 J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4656.
  15. ^ Madden, Andrew S.; Hochella, Michael F .; Luxton, Todd P. (2006). 「Cu2+吸着によるヘマタイトナノ鉱物表面のサイズ依存反応性に関する知見」Geochimica et Cosmochimica Acta . 70 (16): 4095– 4104. Bibcode :2006GeCoA..70.4095M. doi :10.1016/j.gca.2006.06.1366.
  16. ^ Madden, Andrew S.; Hochella, Michael F. (2005). 「鉱物のサイズに応じた地球化学的反応性の検証：ヘマタイトナノ粒子によるマンガンの酸化促進」. Geochimica et Cosmochimica Acta . 69 (2): 389– 398. Bibcode :2005GeCoA..69..389M. doi :10.1016/j.gca.2004.06.035.

さらに読む

  • Bargar, JR; Bernier-Latmani, R.; Giammar, DE; Tebo, BM (2008年12月1日). 「生体起源ウラン鉱ナノ粒子とウラン浄化におけるその重要性」. Elements . 4 (6): 407– 412. Bibcode :2008Eleme...4..407B. doi :10.2113/gselements.4.6.407.
  • Buseck, PR; Aomori, K. (2008年12月1日). 「大気中のナノ粒子」. Elements . 4 (6): 389– 394. Bibcode :2008Eleme...4..389B. doi :10.2113/gselements.4.6.389.
  • Theng, BKG; Yuan, G. (2008年12月1日). 「土壌環境中のナノ粒子」. Elements . 4 (6): 395– 399. Bibcode :2008Eleme...4..395T. doi :10.2113/gselements.4.6.395.
  • Hochella, MF (2006年12月1日). 「ナノジオサイエンスの事例」. Annals of the New York Academy of Sciences . 1093 (1): 108–122 . Bibcode :2006NYASA1093..108H. doi : 10.1196/annals.1382.008 . PMID:  17312255. S2CID:  39883509.
  • Hochella, MF (2008年12月1日). 「ナノジオサイエンス：その起源から最先端応用まで」. Elements . 4 (6): 373– 379. Bibcode :2008Eleme...4..373H. doi :10.2113/gselements.4.6.373.
  • ダン・クロッツ（2002年8月26日）「ナノジオサイエンスの未来を描く」サイエンスビート誌、カリフォルニア大学バークレー校、バークレー研究所。 2018年5月11日閲覧。
  • Lower, Steven K.; Hochella, Michael F.; Banfield, Jillian F.; Rosso, Kevin M. (2002). 「ナノジオサイエンス：電子の移動からリソスフェアプレートまで」. Eos, Transactions American Geophysical Union . 83 (6): 53. Bibcode :2002EOSTr..83...53L. doi : 10.1029/2002EO000036 .
  • Theng, BKG; Yuan, G. (2008年12月1日). 「土壌環境中のナノ粒子」. Elements . 4 (6): 395– 399. Bibcode :2008Eleme...4..395T. doi :10.2113/gselements.4.6.395.
  • Waychunas, GA; Zhang, H. (2008年12月1日). 「鉱物ナノ粒子の構造、化学、および特性」. Elements . 4 (6): 381– 387. Bibcode :2008Eleme...4..381W. doi :10.2113/gselements.4.6.381. S2CID  93011769.
  • Zhang, Renyi; Khalizov, Alexei; Wang, Lin; Hu, Min; Xu, Wen (2011年11月). 「大気中におけるナノ粒子の核形成と成長」. Chemical Reviews . 112 (3): 1957– 2011. doi :10.1021/cr2001756. PMID  22044487.
  • ナノジオサイエンス特集号（ Elements誌）の目次

ナノジオサイエンス研究グループ:

  • バークレーナノジオサイエンスグループ
  • カリフォルニア大学バークレー校
  • バージニア工科大学
  • フロリダ大学
  • ウィスコンシン大学マディソン校
  • ミネソタ大学
  • コペンハーゲン大学
  • ウィーン大学
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