磁性礦物的模擬合成與交叉科學問題研究.pdf

1、含鐵礦物在地球、火星上分布十分廣泛，因此含鐵礦物的實驗室模擬合成以及穩(wěn)定性等問題的研究對于闡明地球、火星早期的氣候特征和演化過程有著重要的意義。在本論文中，我們選取了具有重要地質(zhì)學意義的鐵一硫體系礦物，研究了外加磁場對膠黃鐵礦向熱力學穩(wěn)定相礦物轉(zhuǎn)化的影響特征，發(fā)現(xiàn)磁場能加速亞穩(wěn)相膠黃鐵礦向熱力學穩(wěn)定相的轉(zhuǎn)化，表明磁場對磁性礦物的生長有顯著的影響。在此基礎上，研究了外加磁場對磁鐵礦和磁赤鐵礦納米粒子的成核、生長以及組裝行為的影響。探索發(fā)現(xiàn)

2、，火星表面存在大量的灰色赤鐵礦，它被認為是火星曾經(jīng)存在液態(tài)水的證據(jù)。合成化學的知識告訴我們，很多物質(zhì)的形成條件并不是唯一的，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火星大氣和地球大氣組成有很大區(qū)別，95％以上是CO<,2>，我們認為這可能是有機物徹底氧化的產(chǎn)物，那么可以進一步推測早期的火星曾經(jīng)存在有機物的海洋。因地球曾經(jīng)大量噴發(fā)過甲烷，這一過程在火星上也可能發(fā)生過，甲烷氧化可以生成甲醇、甲醛、甲酸，最后徹底氧化變成CO<,2>。在此分析基礎上，我們在甲醇熱液體系中

3、開展了合成赤鐵礦的研究，根據(jù)實驗結(jié)果首次提出了“火星可能曾經(jīng)存在有機物的海洋”的新觀點。富含橄欖石的玄武巖的實驗室模擬風化研究進一步驗證了我們的觀點。詳細內(nèi)容歸納如下： 1．在FeCl<,3>-CH<,4>N<,2>S和FeCl<,2>-CH<,4>N<,2>S兩種反應體系中研究了磁場對亞穩(wěn)相膠黃鐵礦向熱力學穩(wěn)定相礦物的轉(zhuǎn)化過程的影響。實驗結(jié)果表明0.2-0.4 T的外加磁場提高了轉(zhuǎn)化速率，轉(zhuǎn)化速率提高的程度依賴于所加磁場的磁場

4、強度，隨磁場強度的增加而增加。例如在FeCl<,3>-CH<,4>N<,2>S體系中反應進行12小時后，無磁、0.2 T、0.4 T外加磁場的反應速率分別為3.69×10<'-4>，4.22×10<'-4>，4.99×10<'-4>/S.Nd-Fe-B永磁鐵產(chǎn)生的不均勻磁場能誘導溶液產(chǎn)生對流，從而促進了膠黃鐵礦的溶解以及穩(wěn)定相的結(jié)晶成核和生長的質(zhì)量傳輸過程?；趯嶒灥慕Y(jié)果，我們推測地磁場可能對地球上原生磁性礦物的形成和演化產(chǎn)生過重要影響

5、。 2．以摩爾鹽，檸檬酸三鈉，PVP為原料，在溫度為180℃時通過一個簡單的低溫水熱方法制備出高產(chǎn)量的單晶磁鐵礦納米線。室溫下測得樣品的飽和磁化強度(Ms)和矯頑力(Hc)分別為69.6emu/g和97Oe，低于通常報道的塊狀樣品的相應值，這可能與磁鐵礦納米線的形狀各向異性和納米尺寸有關。在單晶磁鐵礦納米線的形成過程中，檸檬酸鹽起著非常重要的作用。一方面，檸檬酸鹽和金屬離子之間強的配位作用降低了溶液中自由Fe<'2+>離子的濃

6、度，使得反應能夠更加緩慢的進行，晶粒得以取向生長。另一方面，檸檬酸鹽吸附在晶體的表面，使得晶粒沿一個方向擇優(yōu)生長。這種方法不需要外加模板、前驅(qū)物、外加磁場的誘導，從而為大規(guī)模制備磁鐵礦納米線提供了一個簡單、經(jīng)濟的方法。 3．研究了0.2-0.4 T外磁場誘導下新穎的多磁疇的磁赤鐵礦核桃球超結(jié)構(gòu)(由米粒形基本粒子構(gòu)成)的成核、生長及自組裝行為。0.2-0.3 T的外磁場能誘導多磁疇的核桃球超結(jié)構(gòu)在三維空間的組裝，形成圓筒狀或者長方

7、體三維有序結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明米粒形基本粒子之間強的表面相互作用力促使粒子首先聚集成類似核桃一樣的球，隨后在磁場的誘導下組裝成三維有序納米結(jié)構(gòu)。當磁場強度增加到0.4 T時，核桃球超結(jié)構(gòu)在沒有完全形成之前就被磁場誘導沿磁力線方向排列，形成高度有序的一維鏈狀結(jié)構(gòu)。表明磁場強度達0.4 T時，磁場與米粒形基本粒子之間的相互作用力要大于粒子之間的表面相互作用，阻止了核桃球形超結(jié)構(gòu)的形成。磁場下磁性納米粒子的組裝有希望成為制備高度有序的納米結(jié)構(gòu)的

8、新方法，具體的組裝結(jié)構(gòu)類型取決于參與組裝粒子的磁疇結(jié)構(gòu)和外磁場的大小。同時該實驗結(jié)果也給我們提供了一個直觀的途徑來認識磁場與磁性納米粒子相互作用的特征。 4．現(xiàn)在的火星大氣中含有95％的CO<,2>，我們猜想可能是有機物徹底氧化后形成的。研究報道甲烷有可能是地球早期的溫室氣體。在火星的早期，它與地球十分相似，那么早期的火星大氣中也可能存在大量的甲烷。甲烷的氧化和光化學反應得到不同程度氧化的有機物，如甲醇、甲醛等，在特定的溫度和

9、壓力條件下火星上可能存在有機物(如甲醇)的海洋。事實上，在火星的大氣中已經(jīng)檢測到甲烷和甲醛的存在。基于上述分析，我們開展了在甲醇的熱液體系中合成赤鐵礦的研究。以無水FeCl<,3>為原料在甲醇環(huán)境中模擬合成了灰色的赤鐵礦，反射譜也與所報道的灰色赤鐵礦類似，通過深入分析有關結(jié)果和火星大氣的演化歷史，我們提出了“火星曾經(jīng)存在有機物的海洋”的觀點。為了進一步驗證我們的觀點，也為了探究火星表面探測到的大面積橄欖石的風化規(guī)律，在80-160℃溫度