新聞動態(tài)廣州地化所在粘土礦物伊毛縞石（Imogolite）的形成機制上取得新認識
伊毛縞石（(OH)3Al2O3SiOH）是自然界中為數(shù)很少的天然納米礦物（指僅存在納米尺寸相）之一。它具有單壁管狀納米結構，由卷曲的三水鋁石片構成管外骨架，管內側為原硅酸基團（O3SiOH）。伊毛縞石廣泛分布在火山作用衍生的沉積環(huán)境（如火山灰或凝灰?guī)r的蝕變土壤）中，是由氧化硅和氧化鋁溶膠共沉淀并在特定條件下晶化形成，常與埃洛石、水鋁英石等礦物共生或伴生。日本、新西蘭和我國一些地區(qū)均已發(fā)現(xiàn)伊毛縞石產(chǎn)出，厄瓜多爾曾發(fā)現(xiàn)厚度約10m、面積達4000km2的水鋁英石-伊毛縞石沉積層。而較純的天然伊毛縞石往往以“凝膠膜”的形式存在于一些浮石層、風化火山灰沉積物下的未風化碎石層和玄武巖質殘余土中。
相比其它大多數(shù)粘土礦物，伊毛縞石的礦物學和地球化學性質的研究程度很低。這是由于伊毛縞石顆粒極為細微（外徑約為2納米，內徑僅為1納米，管長僅幾百納米）且結構有序度低，其在電子束下的相穩(wěn)定性差，故采用透射電子顯微鏡等手段對其進行形貌、結構研究十分困難。從而，對伊毛縞石的形成機制問題一直缺乏較明確的認識，尤其是對其形成過程中的中間產(chǎn)物體罕有報道。這限制了對與伊毛縞石、水鋁英石等納米礦物相關的地球物質循環(huán)過程機制的深入理解。
近期，中科院廣州地球化學研究所礦物表-界面作用學科組袁鵬研究組通過開展伊毛縞石的模擬合成研究，探索了火山灰沉積環(huán)境中伊毛縞石的形成、生長機制。該研究提出采用原子力顯微鏡（AFM）、魔角旋轉核磁共振譜等手段研究伊毛縞石形成的全過程不同階段產(chǎn)物的微觀形貌、結構及硅鋁的配位環(huán)境，系統(tǒng)探討了前體物質轉化為管狀伊毛縞石的控制因素和機理。
研究取得了如下新認識：
1. 發(fā)現(xiàn)伊毛縞石形成初期，在亞納米尺度上發(fā)生了球狀開放型伊毛縞石局部結構（為一種卷曲的、內側羥基被原硅酸基團取代的三水鋁石片段；簡稱作ImoLS）向管狀開放型ImoLS的轉化。
2. 提出伊毛縞石形成的五階段模式（圖1）：i）硅和鋁水解形成的非晶質前體（簡單低聚物等）；ii）伴隨無定型前體的消耗，開放型ImoLS形成；iii）開放型ImoLS主導，進一步生長、組裝成閉合型ImoLS（管狀或球狀）；iv）閉合型ImoLS主導，繼續(xù)增多（管狀為主）；v）開放型ImoLS基本轉化為管狀閉合伊毛縞石，并持續(xù)通過定向聚合方式生長。
該研究結果提供了天然膠凝條件下開放型ImoLS（包括原伊毛縞石和原水鋁英石）向閉合型ImoLS（即伊毛縞石和水鋁英石）轉化的確切信息，為理解伊毛縞石和水鋁英石的共生產(chǎn)出現(xiàn)象提供了依據(jù)。該研究指出，伊毛縞石形成初期發(fā)生的球狀形貌向管狀形貌的轉化率，是影響土壤中伊毛縞石和水鋁英石比例的重要因素。研究還發(fā)現(xiàn)，形成純相伊毛縞石的條件總體上較為嚴苛，即只有當Si/Al保持在一較窄范圍內才能避免三水鋁石等雜相的生成，這解釋了天然伊毛縞石純相產(chǎn)出較少的現(xiàn)象。此外，該研究證實了AFM作為伊毛縞石、水鋁英石等超微納米礦物形貌、結構研究的有效性，并提供了相應的獲得高分散樣品的制樣方法。
圖1. 伊毛縞石生長、形成的五階段模式示意圖
該成果全文發(fā)表于Applied Clay Science，論文第一作者為博士研究生杜培鑫。研究工作獲得了國家自然科學基金、中科院青年促進會優(yōu)秀會員項目和國家外專局/中國科學院創(chuàng)新國際團隊項目資助。
論文信息：
Peixin Du, Peng Yuan*, Antoine Thill, Fa？zaAnnabi-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.
全文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169131717304210?via%3Dihub 。
中國科學院礦物學與成礦學重點實驗室
廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點實驗室
科技與規(guī)劃處 供稿
