Menu

水在冰/粘土纳米复合物界面液层中的流动性

        水分子与矿物表面的相互作用是研究人员关注的重点。如在冰/固体界面,界面诱导的相变打乱了水分子之间的氢键使得冰在熔化过程中产生一个纳米级(<2 nm)预熔的液层,其性质对宏观地球物理过程有重要的影响。早在1859年,法拉第就提出在自由冰表面存在类似液层。之后,科学家们通过各种实验技术和动力学模拟研究确定了预熔液层的厚度与温度的关系。然而,冰/固体界面处的预熔层与自由冰表面的不同,相关的结构和热力学、动力学特性研究较少。
       在近期一篇发表于《
Advanced Materials》的文章中,研究人员采用准弹性中子散射法(QENS)对冰/带电的亲水的蛭石、冰/不带电的亲水的高岭石、冰/不带电不亲水的滑石进行研究,计算了水在以上三种冰/粘土纳米复合物中的不同温度下的平移扩散系数,其中存在的邻近带电蛭石的水流动性最低,其次是高岭土和更疏水的滑石的现象。作者用不同粘土表面的分子间水相互作用和低密度液态水组分的界面分离来解释。首先,作者认为界面预熔层是液体,而不是无定形固体;过冷的液态水由低密度液态水(LDL)和高密度液态水(HDL)组成;HDL组分更像“液体状”而LDL组分像“结构化”能被吸附在固体表面。基于上述理论,他提出在冰/粘土复合物加热后,由于HDL的波动受到冰和粘土的抑制,所以冰与粘土之间的界面产生主要由LDL组成预熔层。随着温度的升高,离粘土和冰表面更远的区域开始出现具有更快平移扩散的HDL组分,LDL和HDL组分之间的空间和时间波动导致扩散常数持续增加。并且在这种预熔的机制下,冰/固体界面观察到的极低的摩擦可以用液态水薄膜的存在来解释。除摩擦能量耗散引起的冰融化外,本征界面预熔层也是造成这种液体膜的主要原因。
       通过QENS对三种冰/粘土纳米复合物中水的流动性的研究和提出的理论,有利于理解和解释冰/固体界面的摩擦和部分冻土中水的流动性相关的现象。如预熔层内的植物养分或污染物的运输和地球化学反应中冰/矿物界面的离子交换过程。(来源:QYIM & AMSC CC LI编报)

Username:

Password:

联系我们 Contact