fbpx
Wikipedia

Nanogeociencia

Agosto 05, 2021

Nanogeociencia es el estudio de fenómenos de nanoescala relacionados con sistemas geológicos. Sobre todo se investigan nanopartículas ambientales de 1–100 nanómetros. Otros campos de estudio incluyen materiales con al menos una dimensión a nanoescala (películas delgadas, fluidos confinados) y la transferencia de energía, electrones, protones y materia a través de interfaces ambientales.

La atmósfera

Ya que la mayor parte del polvo que entra a la atmósfera es consecuencia de actividades humanas de efectos directos: deforestación y desertificación, e indirectos: calentamiento global, es más importante comprender los efectos del polvo mineral en la composición gaseosa de la atmósfera, condiciones de formación de nubes y forzamiento radiativo global medio: calentamiento o enfriamiento.

El océano

Generalmente, el tamaño mínimo de las partículas que estudian los oceanógrafos es de 0.2 micrómetros, lo cual implica que no se examina gran cantidad de partículas de nanoescala, en particular con respecto a génesis de procesos.

Los suelos

Nanociencia de agua–roca–bacterias

Aunque no se han desarrollado, casi todos los rubros (geo- y bioprocesos) de la ciencia de interacción de meteorización, suelo y agua–roca están inexorablemente ligados a la nanociencía. En la porción cercana a la superficie terrestre, los materiales que se desintegran y los que se generan, a menudo son de nanoescala. Además, a medida que moléculas orgánicas, simples y complejas, así como bacterias y la totalidad de flora y fauna en suelos y rocas interactúan con los componentes minerales, las nanodimensiones y los procesos de nanoscala están a la orden del día.

Nanociencia de transporte de metales

En el terreno, los investigadores estudian cómo los minerales de nanoescala captan (del suelo) tóxicos tales como arsénico, cobre y plomo. La mitigación de este proceso, denominado remediación del suelo, es una actividad difícil.

La nanogeociencia está en una etapa de desarrollo relativamente incipiente. Investigaciones futuras de la nanociencia en las geociencias habrán de incluir identidad, distribución y propiedades químicas inusuales de partículas de nanoescala y/o películas en los océanos, los continentes y la atmósfera, así como la determinación de procesos terrestres inesperados. Posteriormente, la nanotecnología será clave para el desarrollo de la siguiente generación de sistemas sensores de la Tierra y ambientales.

Estabilidad dependiente del tamaño y de la reactividad de las nanopartículas

La nanogeociencia trata acerca de estructuras, propiedades y comportamiento de nanopartículas en suelos, sistemas acuáticos y atmosféricos. Una característica clave de las nanopartículas es que su estabilidad y su reactividad son tamaño-dependientes.[1]​ Ello surge de la vasta área específica y de diferencias en estructura atómica de las nanopartículas, por sus diminutas dimensiones. En general, la energía libre de las nanopartículas es inversamente proporcional a su tamaño. En materiales que pueden adoptar dos o más estructuras, a ciertos tamaños, la energía libre puede resultar en transición de fase de estabilidad.[2]​ La reducción de energía conduce a crecimiento de cristales (átomo por átomo o por agregación orientada[3]​[4]​), lo cual, a tamaños mayores, puede a su vez propiciar la transformación de fase debido al cambio de la relativa estabilidad de fase. En sistemas naturales, estos procesos impactan la reactividad de la superficie y la movilidad de las nanopartículas.

Fenómenos bien identificados de las partículas tamaño-dependientes incluyen:

  • Reversión de estabilidad de fase de partículas mayores (macroscópicas) a tamaños menores. Comúnmente, a medida que decrece el tamaño de la partícula al disminuir hasta cierto tamaño crítico, una fase voluminosa, menos estable a baja temperatura (y/o baja presión), se vuelve más estable que la fase voluminoso-estable. Por ejemplo, la voluminosa anatasa (TiO2) es metaestable con respecto al voluminoso rutilo (TiO2). Sin embargo, en el aire, a tamaños inferiores a 14 nm, la anatasa es más estable que el rutilo.[5]​ Similarmente, a menos de 1293 K, cuando el tamaño de la partícula es inferior a 7 nm at 300 K, la wurtzita (ZnS) es menos estable que la esfalerita (ZnS). En el vacío, la wurtzita es más estable que la esfalerita.[6]​ A 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]​ e interacciones superficie-superficie pueden conducir una transformación estructural reversible sobre agregación/disgregación.[8]​ Otros ejemplos de estabilidad de fase tamaño-dependiente incluyen sistemas de Al2O3,[9]​ ZrO2,[10]​ C, CdS, BaTiO3, Fe2O3, Cr2O3, Mn2O3, Nb2O3, Y2O3 y Au-Sb.
  • La cinética de transformación de fase es tamaño-dependiente. Las transformaciones generalmente ocurren a menos de varios cientos de grados. En tales condiciones, debido a sus altas energías de activación, las tasas de nucleación de superficie y de nucleación voluminosa son bajas. Así, la transformación de fase ocurre, de manera predominante, vía nucleación de interfaz,[11]​ que depende del contacto entre las nanopartículas. Como consecuencia, la tasa de transformación es tamaño-dependiente de la cantidad de partículas, y procede más rápido en nanopartículas de empaque denso (o altamente agregado) que en las de empaque laxo.[12]​ A menudo, en nanopartículas ocurren transformaciones de fase concurrente compleja y engrosamiento de partículas.[13]​
  • Adsorción tamaño-dependiente en nanopartículas[14]​[15]​ y oxidación de nanominerales.[16]​

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

Referencias

  1. Banfield, J. F.; Zhang, H. Nanoparticles in the environment. Rev. Mineral. & Geochem. 2001, 44, 1.
  2. Ranade, M. R.; Navrotsky, A.; Zhang, H.; Banfield, J. F.; Elder, S. H.; Zaban, A.; Borse, P. H.; Kulkarni, S. K.; Doran, G. S.; Whitfield, H. J. Energetics of nanocrystalline TiO2. PNAS 2002, 99 (Suppl 2), 6476.
  3. Penn, R. L. (1998). «Imperfect Oriented Attachment: Dislocation Generation in Defect-Free Nanocrystals». Science 281 (5379): 969-971. Bibcode:1998Sci...281..969L. PMID 9703506. doi:10.1126/science.281.5379.969. 
  4. Banfield, J. F. (2000). «Aggregation-Based Crystal Growth and Microstructure Development in Natural Iron Oxyhydroxide Biomineralization Products». Science 289 (5480): 751-754. Bibcode:2000Sci...289..751B. PMID 10926531. doi:10.1126/science.289.5480.751. 
  5. Zhang, H.; Banfield, J. F. Thermodynamic analysis of phase stability of nanocrystalline titania. J. Mater. Chem. 1998, 8, 2073.
  6. Zhang, H.; Huang, F.; Gilbert, B.; Banfield, J. F. Molecular dynamics simulations, thermodynamics analysis and experimental study of phase stability of zinc sulfide nanoparticles. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13051.
  7. Zhang, Hengzhong; Gilbert, Benjamin; Huang, Feng; Banfield, Jillian F. (2003). «Water-driven structure transformation in nanoparticles at room temperature». Nature 424 (6952): 1025-1029. Bibcode:2003Natur.424.1025Z. PMID 12944961. doi:10.1038/nature01845. 
  8. Huang, Feng; Gilbert, Benjamin; Zhang, Hengzhong; Banfield, Jillian F. (2004). «Reversible, Surface-Controlled Structure Transformation in Nanoparticles Induced by an Aggregation State». Physical Review Letters 92 (15): 155501. Bibcode:2004PhRvL..92o5501H. PMID 15169293. doi:10.1103/PhysRevLett.92.155501. 
  9. McHale, J. M. (1997). «Surface Energies and Thermodynamic Phase Stability in Nanocrystalline Aluminas». Science 277 (5327): 788-791. doi:10.1126/science.277.5327.788. 
  10. Pitcher, M. W.; Ushakov, S. V.; Navrotsky, A.; Woodfield, B. F.; Li, G.; Boerio-Goates, J.; Tissue, B. M. Energy crossovers in nanocrystalline zirconia. J. Am. Ceramic Soc. 2005, 88, 160.
  11. Zhang, H.; Banfield, J. F. New kinetic model for the nanocrystalline anatase-to-rutile transformation revealing rate dependence on number of particles. Am. Mineral. 1999, 84, 528.
  12. Zhang, H.; Banfield, J. F. Phase transformation of nanocrystalline anatase-to-rutile via combined interface and surface nucleation. J. Mater. Res. 2000, 15, 437
  13. Zhang, H.; Banfield, J. F. Polymorphic transformations and particle coarsening in nanocrystalline titania ceramic powders and membranes. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6621.
  14. Zhang, H.; Penn, R. L.; Hamers, R. J.; Banfield, J. F. Enhanced adsorption of molecules on surfaces of nanocrystalline particles. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4656.
  15. Madden, Andrew S.; Hochella, Michael F.; Luxton, Todd P. (2006). «Insights for size-dependent reactivity of hematite nanomineral surfaces through Cu2+ sorption». Geochimica et Cosmochimica Acta 70 (16): 4095-4104. Bibcode:2006GeCoA..70.4095M. doi:10.1016/j.gca.2006.06.1366. 
  16. Madden, Andrew S.; Hochella, Michael F. (2005). «A test of geochemical reactivity as a function of mineral size: Manganese oxidation promoted by hematite nanoparticles». Geochimica et Cosmochimica Acta 69 (2): 389-398. Bibcode:2005GeCoA..69..389M. doi:10.1016/j.gca.2004.06.035. 

Bibliografía adicional

  • Bargar, J. R.; Bernier-Latmani, R.; Giammar, D. E.; Tebo, B. M. (1 de diciembre de 2008). «Biogenic Uraninite Nanoparticles and Their Importance for Uranium Remediation». Elements 4 (6): 407-412. doi:10.2113/gselements.4.6.407. 
  • Buseck, P. R.; Adachi, K. (1 de diciembre de 2008). «Nanoparticles in the Atmosphere». Elements 4 (6): 389-394. doi:10.2113/gselements.4.6.389. 
  • Theng, B. K. G.; Yuan, G. (1 de diciembre de 2008). «Nanoparticles in the Soil Environment». Elements 4 (6): 395-399. doi:10.2113/gselements.4.6.395. 
  • Hochella, M. F. (1 de diciembre de 2006). «The Case for Nanogeoscience». Annals of the New York Academy of Sciences 1093 (1): 108-122. Bibcode:2006NYASA1093..108H. PMID 17312255. doi:10.1196/annals.1382.008. 
  • Hochella, M. F. (1 de diciembre de 2008). «Nanogeoscience: From Origins to Cutting-Edge Applications». Elements 4 (6): 373-379. doi:10.2113/gselements.4.6.373. 
  • Krotz, Dan (26 de agosto de 2002). «Charting the future of nanogeoscience». Science Beat (University of California Berkeley). Berkeley Lab. Consultado el 11 de mayo de 2018. 
  • Lower, Steven K.; Hochella, Michael F.; Banfield, Jillian F.; Rosso, Kevin M. (2002). «Nanogeoscience: From the movement of electrons to lithosphere plates». Eos, Transactions American Geophysical Union 83 (6): 53. Bibcode:2002EOSTr..83...53L. doi:10.1029/2002EO000036. 
  • Theng, B. K. G.; Yuan, G. (1 de diciembre de 2008). «Nanoparticles in the Soil Environment». Elements 4 (6): 395-399. doi:10.2113/gselements.4.6.395. 
  • Waychunas, G. A.; Zhang, H. (1 de diciembre de 2008). «Structure, Chemistry, and Properties of Mineral Nanoparticles». Elements 4 (6): 381-387. doi:10.2113/gselements.4.6.381. 
  • Zhang, Renyi; Khalizov, Alexei; Wang, Lin; Hu, Min; Xu, Wen (November 2011). «Nucleation and Growth of Nanoparticles in the Atmosphere». Chemical Reviews 112 (3): 1957-2011. PMID 22044487. doi:10.1021/cr2001756. 

Enlaces externos

  • Tabla de contenidos de temas especiales de nanogeociencia (Elements magazine)

Grupos de investigación en nanogeociencia:

  • Berkeley Nanogeoscience Group
  • University of California-Berkeley
  • Virginia Tech
  • University of Florida
  • University of Wisconsin–Madison
  • University of Minnesota
  • University of Vienna
  •   Datos: Q3870156

Agosto 05, 2021
nanogeociencia, estudio, fenómenos, nanoescala, relacionados, sistemas, geológicos, sobre, todo, investigan, nanopartículas, ambientales, nanómetros, otros, campos, estudio, incluyen, materiales, menos, dimensión, nanoescala, películas, delgadas, fluidos, conf. Nanogeociencia es el estudio de fenomenos de nanoescala relacionados con sistemas geologicos Sobre todo se investigan nanoparticulas ambientales de 1 100 nanometros Otros campos de estudio incluyen materiales con al menos una dimension a nanoescala peliculas delgadas fluidos confinados y la transferencia de energia electrones protones y materia a traves de interfaces ambientales Indice 1 La atmosfera 2 El oceano 3 Los suelos 4 Estabilidad dependiente del tamano y de la reactividad de las nanoparticulas 5 Referencias 6 Bibliografia adicional 7 Enlaces externosLa atmosfera EditarYa que la mayor parte del polvo que entra a la atmosfera es consecuencia de actividades humanas de efectos directos deforestacion y desertificacion e indirectos calentamiento global es mas importante comprender los efectos del polvo mineral en la composicion gaseosa de la atmosfera condiciones de formacion de nubes y forzamiento radiativo global medio calentamiento o enfriamiento El oceano EditarGeneralmente el tamano minimo de las particulas que estudian los oceanografos es de 0 2 micrometros lo cual implica que no se examina gran cantidad de particulas de nanoescala en particular con respecto a genesis de procesos Los suelos EditarNanociencia de agua roca bacteriasAunque no se han desarrollado casi todos los rubros geo y bioprocesos de la ciencia de interaccion de meteorizacion suelo y agua roca estan inexorablemente ligados a la nanociencia En la porcion cercana a la superficie terrestre los materiales que se desintegran y los que se generan a menudo son de nanoescala Ademas a medida que moleculas organicas simples y complejas asi como bacterias y la totalidad de flora y fauna en suelos y rocas interactuan con los componentes minerales las nanodimensiones y los procesos de nanoscala estan a la orden del dia Nanociencia de transporte de metalesEn el terreno los investigadores estudian como los minerales de nanoescala captan del suelo toxicos tales como arsenico cobre y plomo La mitigacion de este proceso denominado remediacion del suelo es una actividad dificil La nanogeociencia esta en una etapa de desarrollo relativamente incipiente Investigaciones futuras de la nanociencia en las geociencias habran de incluir identidad distribucion y propiedades quimicas inusuales de particulas de nanoescala y o peliculas en los oceanos los continentes y la atmosfera asi como la determinacion de procesos terrestres inesperados Posteriormente la nanotecnologia sera clave para el desarrollo de la siguiente generacion de sistemas sensores de la Tierra y ambientales Estabilidad dependiente del tamano y de la reactividad de las nanoparticulas EditarLa nanogeociencia trata acerca de estructuras propiedades y comportamiento de nanoparticulas en suelos sistemas acuaticos y atmosfericos Una caracteristica clave de las nanoparticulas es que su estabilidad y su reactividad son tamano dependientes 1 Ello surge de la vasta area especifica y de diferencias en estructura atomica de las nanoparticulas por sus diminutas dimensiones En general la energia libre de las nanoparticulas es inversamente proporcional a su tamano En materiales que pueden adoptar dos o mas estructuras a ciertos tamanos la energia libre puede resultar en transicion de fase de estabilidad 2 La reduccion de energia conduce a crecimiento de cristales atomo por atomo o por agregacion orientada 3 4 lo cual a tamanos mayores puede a su vez propiciar la transformacion de fase debido al cambio de la relativa estabilidad de fase En sistemas naturales estos procesos impactan la reactividad de la superficie y la movilidad de las nanoparticulas Fenomenos bien identificados de las particulas tamano dependientes incluyen Reversion de estabilidad de fase de particulas mayores macroscopicas a tamanos menores Comunmente a medida que decrece el tamano de la particula al disminuir hasta cierto tamano critico una fase voluminosa menos estable a baja temperatura y o baja presion se vuelve mas estable que la fase voluminoso estable Por ejemplo la voluminosa anatasa TiO2 es metaestable con respecto al voluminoso rutilo TiO2 Sin embargo en el aire a tamanos inferiores a 14 nm la anatasa es mas estable que el rutilo 5 Similarmente a menos de 1293 K cuando el tamano de la particula es inferior a 7 nm at 300 K la wurtzita ZnS es menos estable que la esfalerita ZnS En el vacio la wurtzita es mas estable que la esfalerita 6 A tamanos de particula muy pequenos la adicion de agua a la superficie de nanoparticulas de ZnS puede inducir un cambio en la estructura de la nanoparticula 7 e interacciones superficie superficie pueden conducir una transformacion estructural reversible sobre agregacion disgregacion 8 Otros ejemplos de estabilidad de fase tamano dependiente incluyen sistemas de Al2O3 9 ZrO2 10 C CdS BaTiO3 Fe2O3 Cr2O3 Mn2O3 Nb2O3 Y2O3 y Au Sb La cinetica de transformacion de fase es tamano dependiente Las transformaciones generalmente ocurren a menos de varios cientos de grados En tales condiciones debido a sus altas energias de activacion las tasas de nucleacion de superficie y de nucleacion voluminosa son bajas Asi la transformacion de fase ocurre de manera predominante via nucleacion de interfaz 11 que depende del contacto entre las nanoparticulas Como consecuencia la tasa de transformacion es tamano dependiente de la cantidad de particulas y procede mas rapido en nanoparticulas de empaque denso o altamente agregado que en las de empaque laxo 12 A menudo en nanoparticulas ocurren transformaciones de fase concurrente compleja y engrosamiento de particulas 13 Adsorcion tamano dependiente en nanoparticulas 14 15 y oxidacion de nanominerales 16 Estas propiedades dependientes del tamano resaltan la importancia del tamano en la estabilidad y en la reactividad de las nanoparticulas Referencias Editar Banfield J F Zhang H Nanoparticles in the environment Rev Mineral amp Geochem 2001 44 1 Ranade M R Navrotsky A Zhang H Banfield J F Elder S H Zaban A Borse P H Kulkarni S K Doran G S Whitfield H J Energetics of nanocrystalline TiO2 PNAS 2002 99 Suppl 2 6476 Penn R L 1998 Imperfect Oriented Attachment Dislocation Generation in Defect Free Nanocrystals Science 281 5379 969 971 Bibcode 1998Sci 281 969L PMID 9703506 doi 10 1126 science 281 5379 969 Banfield J F 2000 Aggregation Based Crystal Growth and Microstructure Development in Natural Iron Oxyhydroxide Biomineralization Products Science 289 5480 751 754 Bibcode 2000Sci 289 751B PMID 10926531 doi 10 1126 science 289 5480 751 Zhang H Banfield J F Thermodynamic analysis of phase stability of nanocrystalline titania J Mater Chem 1998 8 2073 Zhang H Huang F Gilbert B Banfield J F Molecular dynamics simulations thermodynamics analysis and experimental study of phase stability of zinc sulfide nanoparticles J Phys Chem B 2003 107 13051 Zhang Hengzhong Gilbert Benjamin Huang Feng Banfield Jillian F 2003 Water driven structure transformation in nanoparticles at room temperature Nature 424 6952 1025 1029 Bibcode 2003Natur 424 1025Z PMID 12944961 doi 10 1038 nature01845 Huang Feng Gilbert Benjamin Zhang Hengzhong Banfield Jillian F 2004 Reversible Surface Controlled Structure Transformation in Nanoparticles Induced by an Aggregation State Physical Review Letters 92 15 155501 Bibcode 2004PhRvL 92o5501H PMID 15169293 doi 10 1103 PhysRevLett 92 155501 McHale J M 1997 Surface Energies and Thermodynamic Phase Stability in Nanocrystalline Aluminas Science 277 5327 788 791 doi 10 1126 science 277 5327 788 Pitcher M W Ushakov S V Navrotsky A Woodfield B F Li G Boerio Goates J Tissue B M Energy crossovers in nanocrystalline zirconia J Am Ceramic Soc 2005 88 160 Zhang H Banfield J F New kinetic model for the nanocrystalline anatase to rutile transformation revealing rate dependence on number of particles Am Mineral 1999 84 528 Zhang H Banfield J F Phase transformation of nanocrystalline anatase to rutile via combined interface and surface nucleation J Mater Res 2000 15 437 Zhang H Banfield J F Polymorphic transformations and particle coarsening in nanocrystalline titania ceramic powders and membranes J Phys Chem C 2007 111 6621 Zhang H Penn R L Hamers R J Banfield J F Enhanced adsorption of molecules on surfaces of nanocrystalline particles J Phys Chem B 1999 103 4656 Madden Andrew S Hochella Michael F Luxton Todd P 2006 Insights for size dependent reactivity of hematite nanomineral surfaces through Cu2 sorption Geochimica et Cosmochimica Acta 70 16 4095 4104 Bibcode 2006GeCoA 70 4095M doi 10 1016 j gca 2006 06 1366 Madden Andrew S Hochella Michael F 2005 A test of geochemical reactivity as a function of mineral size Manganese oxidation promoted by hematite nanoparticles Geochimica et Cosmochimica Acta 69 2 389 398 Bibcode 2005GeCoA 69 389M doi 10 1016 j gca 2004 06 035 Bibliografia adicional EditarBargar J R Bernier Latmani R Giammar D E Tebo B M 1 de diciembre de 2008 Biogenic Uraninite Nanoparticles and Their Importance for Uranium Remediation Elements 4 6 407 412 doi 10 2113 gselements 4 6 407 Buseck P R Adachi K 1 de diciembre de 2008 Nanoparticles in the Atmosphere Elements 4 6 389 394 doi 10 2113 gselements 4 6 389 Theng B K G Yuan G 1 de diciembre de 2008 Nanoparticles in the Soil Environment Elements 4 6 395 399 doi 10 2113 gselements 4 6 395 Hochella M F 1 de diciembre de 2006 The Case for Nanogeoscience Annals of the New York Academy of Sciences 1093 1 108 122 Bibcode 2006NYASA1093 108H PMID 17312255 doi 10 1196 annals 1382 008 Hochella M F 1 de diciembre de 2008 Nanogeoscience From Origins to Cutting Edge Applications Elements 4 6 373 379 doi 10 2113 gselements 4 6 373 Krotz Dan 26 de agosto de 2002 Charting the future of nanogeoscience Science Beat University of California Berkeley Berkeley Lab Consultado el 11 de mayo de 2018 Lower Steven K Hochella Michael F Banfield Jillian F Rosso Kevin M 2002 Nanogeoscience From the movement of electrons to lithosphere plates Eos Transactions American Geophysical Union 83 6 53 Bibcode 2002EOSTr 83 53L doi 10 1029 2002EO000036 Theng B K G Yuan G 1 de diciembre de 2008 Nanoparticles in the Soil Environment Elements 4 6 395 399 doi 10 2113 gselements 4 6 395 Waychunas G A Zhang H 1 de diciembre de 2008 Structure Chemistry and Properties of Mineral Nanoparticles Elements 4 6 381 387 doi 10 2113 gselements 4 6 381 Zhang Renyi Khalizov Alexei Wang Lin Hu Min Xu Wen November 2011 Nucleation and Growth of Nanoparticles in the Atmosphere Chemical Reviews 112 3 1957 2011 PMID 22044487 doi 10 1021 cr2001756 Enlaces externos EditarTabla de contenidos de temas especiales de nanogeociencia Elements magazine Grupos de investigacion en nanogeociencia Berkeley Nanogeoscience Group University of California Berkeley Virginia Tech University of Florida University of Wisconsin Madison University of Minnesota University of Copenhagen University of Vienna Datos Q3870156 Esta obra contiene una traduccion derivada de Nanogeoscience de la Wikipedia en ingles publicada por sus editores bajo la Licencia de documentacion libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribucion CompartirIgual 3 0 Unported Obtenido de https es wikipedia org w index php title Nanogeociencia amp oldid 133479865, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

español

, española, descargar, gratis, descargar gratis, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, imagen, música, canción, película, libro, juego, juegos