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纳米技术与地质工程

发布时间:2017/2/16  发布者:  浏览次数:2149

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1、背景 
        纳米技术是从非常小的尺度(一般从 1 微米以下到分子层次上)研究材料结构和性质的一门学科。尽管研究土壤的科学家和工程师们可能从不认为自己是纳米技术专家,但是由于他们研究小于0.002 mm 的粘土颗粒,所以他们应当是纳米领域中的先行者。大部分材料的类型和性质都会随着尺度大小而发生变化。例如,土壤颗粒的结构和形态随颗粒大小而发生变化,砂砾石主要是由颗粒很大的石英和长石组成,而粉土和粘土则由板状的云母和粘土矿物组成。在地质工程中,一个非常重要的问题就是要认识当尺度从大到小变化时,颗粒性质和结构所发生的变化,而纳米技术的关注点则是充分利用这种变化,通过新型材料的纳米结构来获得更优越的材料性能。利用纳米尺度上的结构重组控制粒子的大小、分布、结构、形态、表面的化学性质,同时操控它们的聚合方式,使材料的性质得到改变或者被重新设计。要从纳米尺度上进行结构构建需要对粒子在纳米尺度上的行为有一个基本的认识。
        纳米材料拥有非常高的比表面积(表面积与质量的比值),其化学性质要依赖于比表面积的大小。例如,1立方纳米的比表面积大约是2400 m2/g。斑脱土的最大表面积大约是800 m2/g,其组成原子中有大约一半都位于表面,因此很有利于发生化学反应。比表面积很大意味着吸附能力很强,纳米微粒对某些特殊的材料有很强的吸附作用。纳米微粒之间的相互作用是由粒子之间的电荷力决定的。
        纳米系统所表现出来的现象一般不能在连续性系统中观察到。将纳米技术引入到地质工程中,就能够将纳米尺度上的一些现象和过程描述应用于宏观行为、材料和结构的研究中,这也是工程师们奋斗的目标。
目前纳米领域中存在的三个主要研究方向是:
      (1)基本问题:加强对空间结构的描述、局部化学控制以及表面性质的研究; 
      (2)组合、分离与聚合:有效的生物合成、自复制和组合;环境效应和制备控制。
      (3)应用挑战:在应用领域中,目前关注较多的是纳米电子学、光电子学和磁学、微型航天器、用于检测和减轻健康风险的生物纳米设备、卫生保健、疾病的诊断和治疗,能量的转化和储存。 
         2、纳米技术与地质工程
        粘土的基本特性是一个纳米力学问题,这表明从纳米技术中发展出来的概念和模型可以提供新思路、新观点,加深对粘土颗粒的认识,而且更为重要的是,也提供了新的手段来控制或改变这种特性。
  土壤和岩石是地球上数量最丰富、成本最低廉的建筑材料。在某些情况下(比如粘稠、干燥和粘聚力很大),它们是非常坚固和耐用的,而在另外一些情形下(比如松散、湿润和柔软),它们就会变得不牢固,不适合作建筑材料。有没有可能或可不可以相信有一天,从纳米尺度上开发出来的一些新方法和新工艺能够从诸多方面来改造这些材料,使它们更加适用、更加经济?一些研究团体认为对这个可能性进行研究的投资应该获得高优先权。 
        需要特别指出的是,纳米技术的发展可以帮助我们认识细粒土在粒子水平上的基本行为,指导改造细粒土的工程实践。现在比较容易利用到的原子力显微镜正被用于研究粘土局部矿物性质的变化,比如表面电荷和矿物表面局部的高度疏水性。将来的发展可以允许人们使用纳米磁性材料来操控非常小的反磁性粘土类矿物,利用化学力显微镜来研究矿物表面的反应。
尽管目前纳米技术在地质工程中的应用还主要处在探索阶段,但是可以肯定的是,纳米技术的应用将从根本上改变工程实践。
纳米微粒也可以被设计成为可与土体混合的多功能纳米传感器或者是小型跟踪器,用于原位化学分析、描述地下水流动特征以及确定裂隙的连通性。
        尽管上面提到的一些应用似乎都不可思议,而且要实现我们想象的那些应用也将面临不可预知的困难,但是地质工程界的专家们应当去探索如何从纳米知识及其它学科中的同行们正在开发的新材料中受益,如何从纳米尺度上研究我们所熟知的土壤。
 
 

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