ナノジオサイエンス

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、サイズが 1 ～ 100 ナノメートルの環境ナノ粒子を研究することで調査されます。その他の適用可能な研究分野には、少なくとも 1 つの次元がナノスケールに制限されている材料 (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、物質の移動などがあります。

雰囲気

人間の活動（土地の開拓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: 決して発展したわけではないが、風化、土壌、水と岩石の相互作用に関する科学のほぼすべての側面（地質プロセスと生物プロセスの両方）は、ナノサイエンスと不可分の関係にある。地球の地表近くでは、分解される物質も生成される物質も、多くの場合ナノスケールの領域にある。さらに、単純なものから複雑なものまで有機分子、バクテリア、土壌や岩石中のあらゆる動植物が、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当たり前になっている。

金属輸送ナノサイエンス: 陸上では、研究者たち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る。土壌修復と呼ばれるこのプロセスを促進するのは、難しい作業である。

ナノ地球科学は、まだ開発の初期段階にあります。地球科学におけるナノ科学の将来の方向性には、海洋、大陸、大気中のナノサイズの粒子や薄膜の正体、分布、異常な化学特性の解明、そしてそれらが地球のプロセスを予期せぬ形で動かす仕組みの解明が含まれます。さらに、ナノテクノロジーは、次世代の地球および環境センシングシステムの開発の鍵となります。

ナノ粒子のサイズ依存安定性と反応性

ナノジオサイエンスは、土壌、水系、大気中のナノ粒子の構造、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がサイズに依存することです。^[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り、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り結晶成長が促進され (原子ごとに、または配向された付着によって^[3]^[4] )、サイズが大きくなると相対的な相安定性が変化するため、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、自然システムにおけるナノ粒子の表面反応性と移動度に影響を与えます。

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、以下のものがあります。

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、14 nm未満の粒子サイズでは、アナターゼはルチルよりも安定します。^[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します。^[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、ナノ粒子の構造の変化が誘発され、 ^[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化が促進されます。^[8] サイズ依存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系が挙げられる。
相転移の速度論はサイズに依存し、転移は通常低温（数百度未満）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速度は、それらの高い活性化エネルギーのために低い。したがって、相転移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、転移速度は粒子数（サイズ）に依存し、密に詰まった（または高度に凝集した）ナノ粒子では緩く詰まったナノ粒子よりも速く進行する。^[12]ナノ粒子では、複雑な同時相転移と粒子粗大化がしばしば起こる。^[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

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さらに読む

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外部リンク

ナノジオサイエンス特集号（エレメンツ誌）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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