Исследователи оценили, как вода камень точит, молекулу за молекулой

Ученые из университета Райса и университета Бремена объединили ультрасовременные экспериментальные методы и компьютерные симуляции, чтобы найти новый метод предсказания того, как вода растворяет кристаллические структуры, подобные тем, что содержатся в натуральном камне и цементе.

В новом исследовании, опубликованном в издании Journal of Physical Chemistry C, ученые обнаружили, что их метод более эффективен в предсказании уровня растворения кристаллических структур в воде, нежели все предыдущие методы.

Исследование может оказать широкое воздействие в самых разных сферах, включая водное качество и планирование, экологическую устойчивость, сопротивление коррозии и строительство.

«Нам требуется более совершенное понимание механизмов растворения, чтобы лучше предсказывать судьбу определенных материалов, как в природе, так и в искусственных системах», сообщил ведущий исследователь, профессор минералогии Андреас Люттге. Его группа специализируется на изучении тонкого граничного слоя, который формируется между минералами и жидкостями.

В природе такие слои вездесущи: они встречаются, когда капли дождя падают на камень, когда вода просачивается сквозь почву, и океан встречается с дном. Ученые и инженеры уже давно интересовались тем, как именно кристаллические материалы, включая минералы и камни, взаимодействуют и растворяются в воде. Подсчет уровня этих процессов важен во многих областях науки и инжиниринга.

В новом исследовании Люттге и ведущий автор Инна Курганская исследовали процессы растворения с помощью кварца — одного из наиболее распространенных в природе минералов. Кварц или диоксид кремния — это тип силиката, наиболее обширной группы минералов в земной коре.

В пограничном слое, где встречаются кварц и вода, наблюдаются множественные химические реакции. Некоторые из них происходят одновременно, а другие — по очереди. В новом исследовании ученые стремились создать компьютерную модель, которая смогла бы точно смоделировать химию пограничного слоя.

«Новая модель моделирует кинетику раствора в граничном слое с большей точностью, чем предыдущие стохастические модели, работающие в том же масштабе», сказала Курганская. „Существующие модели основаны на константах, связанных с широким диапазоном химических реакций, и в итоге целостный поток материала с поверхности обладает врожденным диапазоном расхождения — фактором плюс-минус“.

Одна из причин того, что новая модель более точно, заключается в том, что она включает фактические измерения с помощью ультрасовременных инструментов и высокотехнологичных материалов, включая стеклокерамику и наноматериалы. Благодаря специальной технологии отображения под названием «вертикальная сканирующая интерферометрия» ученые сумели исследовать кристаллические поверхности обоих минералов и изготовили материалы для создания топографических карт с разрешением всего несколько нанометров.

«Мы установили, что скорости раствора, предсказанные с помощью констант, иногда отличались на два порядка», заявил Люттге.

Новый метод более точного предсказания процессов раствора может изменить то, как инженеры и ученые производят вычисления, связанные с разными вещами, включая надежность стройматериалов, долговечность материалов, используемых для хранения радиоактивных отходов и т.д.

«Чтобы доказать широкую полезность метода, требуется провести дальнейшие исследования», отметил ученый. „На следующем этапе мы планируем проверить наши модели на больших системах в течение более долгих временных периодов“.

06.12.2013