Тезисы научной конференции
ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ,

апрель 2007 года
СЕКЦИЯ ГЕОЛОГИИ

содержание

МИНЕРАЛЬНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ

В.Н.Соколов, М.С.Чернов, В.Г.Шлыков, О.В.Разгулина, Д.И.Юрковец, В.В.Крупская

Изучение свойств различных материалов, с точки зрения их наноструктуры, в последние годы становится одним из приоритетных направлений развития естественных наук (материаловедения, физики, химии и т.д.). Исследования показали, что наночастицы с размерами от 5 до 100 нм, обуславливают многие характеристики любых твердых тел.

В работе рассмотрены вопросы изучения морфологических особенностей и химико-минерального состава минеральных наночастиц, содержащихся в широко распространенных глинистых грунтах. Ультрадисперсные фракции глинистых грунтов (<0,4 мкм и <0,1 мкм), ставшие объектом исследования авторов, выделялись из грунта путем его отмучивания с последующим центрифугированием осадка.

Наноморфологические исследования проводились с помощью РЭМ "LEO 1450VP" и программы количественного морфологического анализа "STIMAN" [1]. Для устранения возможности внесения артефактов при наноморфологических исследованиях использовался низковакуумный режим работы РЭМ с рабочим давлением в камере образцов около 80 Па, позволяющий с высоким разрешением исследовать ненапыленные образцы. Для исследования химического элементного состава минеральных наночастиц использовалась система энергодисперсионного микроанализа (ЭДС) OXFORD INCA ENERGY 300. Минеральный состав грунта и его ультрадисперсных фракций изучался методом количественного рентгенофазового анализа [2] и инфракрасной спектроскопии (ИКС) [3]. Проведенные исследования показали, что в некоторых типах природных глинистых грунтов, например, в моренных суглинках донской морены г. Москвы, содержание минеральных наночастиц может достигать ~33%. Изучение химико-минерального состава исходных образцов донской морены и выделенных ультрадисперсных фракций показало, что среди минеральных наночастиц 80-85% представлены слоистыми силикатами (глинистыми смешанослойными минералами ряда иллит-смектит с разным содержанием смектитовых пакетов и фазами ряда смектит-каолинит с преобладанием каолинитовых пакетов), 5-9% - кварцем, 11% -  оксидами железа. В отдельных грунтах донской морены отмечалось до 4% карбонатов.

Наноморфологические исследования в РЭМ позволили определить размер, форму и локализацию минеральных наночастиц. Было установлено, что в образцах донской морены преобладают наночастицы псевдоглобулярной, пластинчатой псевдогексагональной и листообразной формы с диаметрами ~20-40 нм. Реже встречаются наночастицы анизометричной формы в виде узких пластин длиной до ~200 нм и шириной не более ~40 нм. С учетом данных химико-минерального состава глинистого грунта и его ультрадисперсных фракций, а также прямых исследований скоплений наночастиц с помощью ЭДС, изометричные наночастицы псевдоглобулярной формы могут быть отнесены к оксидам железа и кварцу, наночастицы пластинчатой псевдогексагональной и листообразной формы - к смешанослойным образованиям, а вытянутой формы - к  иллиту. Как правило, основная масса минеральных наночастиц располагается в понижениях микрорельефа поверхности песчано-пылеватых кварцевых и полевошпатовых зерен, на сколах зерен и торцевых частях слюдистых пластинчатых микроблоков. Такие частицы удерживаются на поверхности зерен за счет адгезионных сил ионно-электростатического и молекулярного притяжения.

Изучение некоторых физико-химических свойств выделенных минеральных наночастиц показало, что емкость катионного обмена (ЕКО) в ультрадисперсной фракции образца моренного суглинка (<0,1 мкм) возрастает в три раза по сравнению с исходным образцом от 12,3 мг-экв/100 г до 38,9 мг-экв/100 г, а удельная поверхность - в восемь раз с 13 м²/г до 104 м²/г. Проведенные исследования показали, что минеральные наночастицы, содержащиеся в больших количествах в глинистых грунтах, с успехом могут использоваться для производства высококачественных сорбентов широкого практического применения, а также как материал для создания искусственных защитных экранов против распространения в природных грунтах различных загрязнений.

Авторы благодарят кандидата физ.-мат. наук  Н.В.Чуканова, ИПХФ РАН, г. Черноголовка за исследования  образцов методом ИКС.

• Соколов В.Н., Юрковец Д.И., Разгулина О.В., Мельник В.Н. Изучение характеристик микроструктуры твердых тел с помощью компьютерного анализа РЭМ-изображений // Изв. РАН. Сер. физ. 2004. Т. 68.  N 9. С. 1332-1337.
• Шлыков В.Г. Рентгеновский анализ минерального состава дисперсных грунтов. М., Геос, 2006, 176 с.
• Дубовицкий В.А., Чуканов Н.В., Возчикова С.А. Комплексная диагностика неорганических соединений по кривой спектра поглощения инфракрасного излучения // Химическая физика. 2004. Т. 23. N 5. C. 90-100.