La nanogeociencia es el estudio de fenómenos a nanoescala relacionados con los sistemas geológicos. Principalmente, esto se investiga mediante el estudio de nanopartículas ambientales entre 1 y 100 nanómetros de tamaño. Otros campos de estudio aplicables incluyen el estudio de materiales con al menos una dimensión restringida a la nanoescala (por ejemplo, películas delgadas, fluidos confinados) y la transferencia de energía, electrones, protones y materia a través de interfaces ambientales.
La atmósfera
A medida que más polvo ingresa a la atmósfera debido a las consecuencias de la actividad humana (de los efectos directos, como la limpieza de tierras y la desertificación, frente a los efectos indirectos, como el calentamiento global), se vuelve más importante comprender los efectos del polvo mineral en los gases. composición de la atmósfera, condiciones de formación de nubes y forzamiento radiativo medio global (es decir, efectos de calentamiento o enfriamiento).
El océano
Los oceanógrafos generalmente estudian partículas que miden 0,2 micrómetros o más, lo que significa que no se examinan muchas partículas a nanoescala, particularmente con respecto a los mecanismos de formación.
Los suelos
- Nanociencia agua-roca-bacterias
- Aunque de ninguna manera se ha desarrollado, casi todos los aspectos (tanto geoprocesos como bioprocesos) de la intemperie , el suelo y la ciencia de la interacción agua-roca están inexorablemente vinculados a la nanociencia. Dentro de la superficie cercana de la Tierra, los materiales que se descomponen, así como los materiales que se producen, a menudo se encuentran en el régimen de nanoescala. Además, como las moléculas orgánicas, simples y complejas, así como las bacterias y toda la flora y fauna en los suelos y rocas interactúan con los componentes minerales presentes, las nanodimensiones y los procesos a nanoescala están a la orden del día.
- Nanociencia del transporte de metales
- En tierra, los investigadores estudian cómo los minerales de tamaño nanométrico capturan toxinas como el arsénico, el cobre y el plomo del suelo. Facilitar este proceso, llamado remediación del suelo , es un asunto complicado.
La nanogeociencia se encuentra en una etapa relativamente temprana de desarrollo. Las direcciones futuras de la nanociencia en las geociencias incluirán la determinación de la identidad, distribución y propiedades químicas inusuales de partículas y / o películas nanométricas en los océanos, en los continentes y en la atmósfera, y cómo impulsan los procesos terrestres de forma inesperada. formas. Además, la nanotecnología será la clave para desarrollar la próxima generación de sistemas de detección de la Tierra y del medio ambiente.
Estabilidad y reactividad de nanopartículas dependientes del tamaño
La nanogeociencia se ocupa de las estructuras, propiedades y comportamientos de las nanopartículas en suelos, sistemas acuáticos y atmósferas. Una de las características clave de las nanopartículas es la dependencia del tamaño de la estabilidad y reactividad de las nanopartículas. [1] Esto surge de la gran superficie específica y las diferencias en la estructura atómica de la superficie de las nanopartículas en tamaños de partículas pequeños. En general, la energía libre de las nanopartículas es inversamente proporcional a su tamaño de partícula. Para materiales que pueden adoptar dos o más estructuras, la energía libre dependiente del tamaño puede resultar en un cruce de estabilidad de fase en ciertos tamaños. [2] La reducción de energía libre impulsa el crecimiento de cristales (átomo por átomo o por unión orientada [3] [4] ), lo que puede impulsar nuevamente la transformación de fase debido al cambio de la estabilidad de fase relativa a tamaños crecientes. Estos procesos impactan la reactividad superficial y la movilidad de las nanopartículas en los sistemas naturales.
Los fenómenos de nanopartículas dependientes del tamaño bien identificados incluyen:
- Inversión de la estabilidad de fase de partículas a granel (macroscópicas) en tamaños pequeños. Normalmente, una fase de masa menos estable a baja temperatura (y / o baja presión) se vuelve más estable que la fase de masa estable a medida que el tamaño de partícula disminuye por debajo de un cierto tamaño crítico. Por ejemplo, la anatasa a granel (TiO 2 ) es metaestable con respecto al rutilo a granel (TiO 2 ). Sin embargo, en el aire, la anatasa se vuelve más estable que el rutilo a tamaños de partículas por debajo de 14 nm. [5] De manera similar, por debajo de 1293 K, la wurtzita (ZnS) es menos estable que la esfalerita (ZnS). En el vacío, la wurtzita se vuelve más estable que la esfalerita cuando el tamaño de partícula es inferior a 7 nm a 300 K. [6] En tamaños de partícula muy pequeños, la adición de agua a la superficie de las nanopartículas de ZnS puede inducir un cambio en la estructura de las nanopartículas [7 ] y las interacciones superficie-superficie pueden impulsar una transformación estructural reversible tras la agregación / desagregación. [8] Otros ejemplos de estabilidad de fase dependiente del tamaño incluyen sistemas de 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 y Au-Sb.
- La cinética de transformación de fase depende del tamaño y las transformaciones generalmente ocurren a bajas temperaturas (menos de varios cientos de grados). En tales condiciones, las tasas de nucleación de superficie y de nucleación en masa son bajas debido a sus altas energías de activación. Por tanto, la transformación de fase se produce predominantemente a través de la nucleación de la interfaz [11] que depende del contacto entre las nanopartículas. Como consecuencia, la tasa de transformación depende del número de partículas (tamaño) y avanza más rápido en nanopartículas densamente empaquetadas (o altamente agregadas) que en nanopartículas empaquetadas sueltas. [12] La transformación de fase concurrente compleja y el engrosamiento de partículas ocurren a menudo en nanopartículas. [13]
- Adsorción de nanopartículas en función del tamaño [14] [15] y oxidación de nanominerales. [dieciséis]
Estas propiedades dependientes del tamaño resaltan la importancia del tamaño de partícula en la estabilidad y reactividad de las nanopartículas.
Referencias
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- ^ Ranade, MR; Navrotsky, A .; Zhang, H .; Banfield, JF; Anciano, SH; Zaban, A .; Borse, PH; Kulkarni, SK; Doran, GS; Whitfield, HJ Energética del TiO 2 nanocristalino . PNAS 2002, 99 (Suppl 2), 6476.
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Otras lecturas
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- Buseck, PR; Adachi, K. (1 de diciembre de 2008). "Nanopartículas en la atmósfera". Elementos . 4 (6): 389–394. doi : 10.2113 / gselements.4.6.389 .
- Theng, BKG; Yuan, G. (1 de diciembre de 2008). "Nanopartículas en el medio ambiente del suelo". Elementos . 4 (6): 395–399. doi : 10.2113 / gselements.4.6.395 .
- Hochella, MF (1 de diciembre de 2006). "El caso de la nanogeosciencia". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 1093 (1): 108-122. Código Bib : 2006NYASA1093..108H . doi : 10.1196 / annals.1382.008 . PMID 17312255 . S2CID 39883509 .
- Hochella, MF (1 de diciembre de 2008). "Nanogeociencia: desde los orígenes hasta las aplicaciones de vanguardia". Elementos . 4 (6): 373–379. doi : 10.2113 / gselements.4.6.373 .
- Krotz, Dan (26 de agosto de 2002). "Trazando el futuro de la nanogeosciencia" . Science Beat . Universidad de California, Berkeley. Laboratorio de Berkeley . Consultado el 11 de mayo de 2018 .
- Inferior, Steven K .; Hochella, Michael F .; Banfield, Jillian F .; Rosso, Kevin M. (2002). "Nanogeociencia: del movimiento de electrones a las placas de la litosfera" . Eos, Transactions American Geophysical Union . 83 (6): 53. Bibcode : 2002EOSTr..83 ... 53L . doi : 10.1029 / 2002EO000036 .
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- Zhang, Renyi; Khalizov, Alexei; Wang, Lin; Hu, Min; Xu, Wen (noviembre de 2011). "Nucleación y crecimiento de nanopartículas en la atmósfera". Revisiones químicas . 112 (3): 1957-2011. doi : 10.1021 / cr2001756 . PMID 22044487 .
enlaces externos
- Índice del número especial sobre nanogeosciencia ( revista Elements )
Grupos de investigación en nanogeociencias:
- Berkeley Nanogeoscience Group
- Universidad de California, Berkeley
- Virginia Tech
- Universidad de Florida
- Universidad de Wisconsin-Madison
- Universidad de Minnesota
- Universidad de Copenhague
- Universidad de Viena