磁性礦物的模擬合成與交叉科學(xué)問(wèn)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(shí)驗(yàn)室模擬合成以及穩(wěn)定性等問(wèn)題的研究對(duì)于闡明地球、火星早期的氣候特征和演化過(guò)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(xué)意義的鐵一硫體系礦物，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)膠黃鐵礦向熱力學(xué)穩(wěn)定相礦物轉(zhuǎn)化的影響特征，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)能加速亞穩(wěn)相膠黃鐵礦向熱力學(xué)穩(wěn)定相的轉(zhuǎn)化，表明磁場(chǎng)對(duì)磁性礦物的生長(zhǎng)有顯著的影響。在此基礎(chǔ)上，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)磁鐵礦和磁赤鐵礦納米粒子的成核、生長(zhǎng)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(rèn)為是火星曾經(jīng)存在液態(tài)水的證據(jù)。合成化學(xué)的知識(shí)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(rèn)為這可能是有機(jī)物徹底氧化的產(chǎn)物，那么可以進(jìn)一步推測(cè)早期的火星曾經(jīng)存在有機(jī)物的海洋。因地球曾經(jīng)大量噴發(fā)過(guò)甲烷，這一過(guò)程在火星上也可能發(fā)生過(guò)，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(chǔ)上，我們?cè)诩状紵嵋后w系中

3、開(kāi)展了合成赤鐵礦的研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次提出了“火星可能曾經(jīng)存在有機(jī)物的海洋”的新觀點(diǎn)。富含橄欖石的玄武巖的實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)化研究進(jìn)一步驗(yàn)證了我們的觀點(diǎn)。詳細(xì)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(yīng)體系中研究了磁場(chǎng)對(duì)亞穩(wěn)相膠黃鐵礦向熱力學(xué)穩(wěn)定相礦物的轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明0.2-0.4 T的外加磁場(chǎng)提高了轉(zhuǎn)化速率，轉(zhuǎn)化速率提高的程度依賴(lài)于所加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)

4、強(qiáng)度，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。例如在FeCl<,3>-CH<,4>N<,2>S體系中反應(yīng)進(jìn)行12小時(shí)后，無(wú)磁、0.2 T、0.4 T外加磁場(chǎng)的反應(yīng)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(chǎng)能誘導(dǎo)溶液產(chǎn)生對(duì)流，從而促進(jìn)了膠黃鐵礦的溶解以及穩(wěn)定相的結(jié)晶成核和生長(zhǎng)的質(zhì)量傳輸過(guò)程。基于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們推測(cè)地磁場(chǎng)可能對(duì)地球上原生磁性礦物的形成和演化產(chǎn)生過(guò)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(shí)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的低溫水熱方法制備出高產(chǎn)量的單晶磁鐵礦納米線(xiàn)。室溫下測(cè)得樣品的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)和矯頑力(Hc)分別為69.6emu/g和97Oe，低于通常報(bào)道的塊狀樣品的相應(yīng)值，這可能與磁鐵礦納米線(xiàn)的形狀各向異性和納米尺寸有關(guān)。在單晶磁鐵礦納米線(xiàn)的形成過(guò)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(qiáng)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(yīng)能夠更加緩慢的進(jìn)行，晶粒得以取向生長(zhǎng)。另一方面，檸檬酸鹽吸附在晶體的表面，使得晶粒沿一個(gè)方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。這種方法不需要外加模板、前驅(qū)物、外加磁場(chǎng)的誘導(dǎo)，從而為大規(guī)模制備磁鐵礦納米線(xiàn)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法。 3．研究了0.2-0.4 T外磁場(chǎng)誘導(dǎo)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(zhǎng)及自組裝行為。0.2-0.3 T的外磁場(chǎng)能誘導(dǎo)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(zhǎng)方

7、體三維有序結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明米粒形基本粒子之間強(qiáng)的表面相互作用力促使粒子首先聚集成類(lèi)似核桃一樣的球，隨后在磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下組裝成三維有序納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到0.4 T時(shí)，核桃球超結(jié)構(gòu)在沒(méi)有完全形成之前就被磁場(chǎng)誘導(dǎo)沿磁力線(xiàn)方向排列，形成高度有序的一維鏈狀結(jié)構(gòu)。表明磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)0.4 T時(shí)，磁場(chǎng)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(chǎng)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(lèi)型取決于參與組裝粒子的磁疇結(jié)構(gòu)和外磁場(chǎng)的大小。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也給我們提供了一個(gè)直觀的途徑來(lái)認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)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(jī)物徹底氧化后形成的。研究報(bào)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(xué)反應(yīng)得到不同程度氧化的有機(jī)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(jī)物(如甲醇)的海洋。事實(shí)上，在火星的大氣中已經(jīng)檢測(cè)到甲烷和甲醛的存在?；谏鲜龇治?，我們開(kāi)展了在甲醇的熱液體系中合成赤鐵礦的研究。以無(wú)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(bào)道的灰色赤鐵礦類(lèi)似，通過(guò)深入分析有關(guān)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(jī)物的海洋”的觀點(diǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們的觀點(diǎn)，也為了探究火星表面探測(cè)到的大面積橄欖石的風(fēng)化規(guī)律，在80-160℃溫度