Nanogeociencia

La nanogeociencia estudia los fenómenos a nanoescala relacionados con los sistemas geológicos. Principalmente, se investiga mediante el estudio de nanopartículas ambientales de entre 1 y 100 nanómetros. Otros campos de estudio aplicables incluyen el análisis 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.

A medida que aumenta la cantidad de polvo en la atmósfera debido a las consecuencias de la actividad humana (desde los efectos directos, como la deforestación y la desertificación, hasta los efectos indirectos, como el calentamiento global), resulta más importante comprender los efectos del polvo mineral en la composición gaseosa de la atmósfera, las condiciones de formación de nubes y el forzamiento radiativo medio global (es decir, los efectos de calentamiento o enfriamiento).

Los oceanógrafos suelen estudiar partículas que miden 0,2 micrómetros o más, lo que significa que muchas partículas a nanoescala no se examinan, en particular con respecto a los mecanismos de formación.

Nanociencia del agua, las rocas y las bacterias

Aunque aún no están completamente desarrolladas, casi todos los aspectos (tanto geológicos como biológicos) de la meteorización , el suelo y la interacción agua-roca están inexorablemente ligados a la nanociencia. En la superficie terrestre, tanto los materiales que se descomponen como los que se producen suelen encontrarse en la nanoescala. Además, dado que las moléculas orgánicas, simples y complejas, así como las bacterias y toda la flora y fauna de los suelos y las rocas, interactúan con los componentes minerales presentes, las nanodimensiones y los procesos a nanoescala son la norma.

Nanociencia del transporte de metales

En tierra firme, los investigadores estudian cómo los minerales a nanoescala capturan toxinas como el arsénico, el cobre y el plomo del suelo. Facilitar este proceso, denominado remediación del suelo , es una tarea compleja.

La nanogeociencia se encuentra en una etapa relativamente temprana de desarrollo. Las futuras líneas de investigación de la nanociencia en las geociencias incluirán la determinación de la identidad, distribución y propiedades químicas inusuales de nanopartículas y/o películas en los océanos, los continentes y la atmósfera, así como la forma en que influyen en los procesos terrestres de maneras inesperadas. Además, la nanotecnología será clave para el desarrollo de la próxima generación de sistemas de detección terrestre y ambiental.

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 su estabilidad y reactividad. ^{[ 1 ]} Esto se debe a la gran superficie específica y a las diferencias en la estructura atómica superficial de las nanopartículas a tamaños pequeños. En general, la energía libre de las nanopartículas es inversamente proporcional a su tamaño. Para materiales que pueden adoptar dos o más estructuras, la energía libre dependiente del tamaño puede dar lugar a un cruce de estabilidad de fase en ciertos tamaños. ^{[ 2 ]} La reducción de la energía libre impulsa el crecimiento cristalino (átomo a átomo o por unión orientada ^{[ 3 ] [ 4 ]} ), lo que a su vez puede impulsar la transformación de fase debido al cambio de la estabilidad de fase relativa al aumentar el tamaño. Estos procesos afectan la reactividad superficial y la movilidad de las nanopartículas en sistemas naturales.

Entre los fenómenos bien identificados que dependen del tamaño de las nanopartículas se incluyen:

• Inversión de la estabilidad de fase de partículas macroscópicas en tamaños pequeños. Generalmente, una fase macroscópica menos estable a baja temperatura (y/o baja presión) se vuelve más estable que la fase macroscópica estable a medida que el tamaño de partícula disminuye por debajo de un cierto tamaño crítico. Por ejemplo, la anatasa macroscópica (TiO₂ ₎ es metaestable con respecto al rutilo macroscópico (TiO₂ ₎ . Sin embargo, en el aire, la anatasa se vuelve más estable que el rutilo en tamaños de partícula inferiores a 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 nanopartículas de ZnS puede inducir un cambio en la estructura de la nanopartícula ^{[ 7 ]} y las interacciones superficie-superficie pueden impulsar una transformación estructural reversible durante 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 suelen ocurrir a bajas temperaturas (menos de varios cientos de grados). En tales condiciones, las tasas de nucleación superficial y volumétrica son bajas debido a sus altas energías de activación. Por lo tanto, la transformación de fase ocurre predominantemente a través de la nucleación interfacial ^{[ 11 ]} que depende del contacto entre nanopartículas. Como consecuencia, la tasa de transformación depende del número de partículas (tamaño) y procede más rápidamente en nanopartículas densamente empaquetadas (o altamente agregadas) que en nanopartículas poco empaquetadas. ^{[ 12 ]} A menudo ocurren transformaciones de fase complejas y concurrentes y crecimiento de partículas en nanopartículas. ^{[ 13 ]}
• Adsorción dependiente del tamaño en nanopartículas ^{[ 14 ] [ 15 ]} y oxidación de nanominerales. ^{[ 16 ]}

Estas propiedades dependientes del tamaño resaltan la importancia del tamaño de las partículas en la estabilidad y reactividad de las nanopartículas.

• Índice del número especial sobre nanogeociencia ( revista Elements )

Grupos de investigación en nanogeociencia:

• Grupo de Nanogeociencia de Berkeley
• Universidad de California-Berkeley
• Virginia Tech
• Universidad de Florida
• Universidad de Wisconsin-Madison
• Universidad de Minnesota
• Universidad de Copenhague
• Universidad de Viena