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强磁场科学中心在水铁矿磁学特性研究中取得新进展
2017-03-20| 作者:曹亮 | 【 【打印】【关闭】

近日,中国科学院强磁场科学中心熊奕敏课题组与南方科大、中科院上海应用物理所等单位组成的合作研究团队,对水铁矿中磁性起源进行研究,以期揭示自然环境中磁性矿物质的来源。相关研究结果以”Origin of magnetism in hydrothermally aged 2-line ferrihydrite suspensions”为题发表在国际环境类权威期刊Environmental Science & Technology上(Cao et al. Environmental Science & Technology, 51, 2017, 2643-2651. DOI:10.1021/acs.est.6b04716)。

纳米级水铁矿(<10nm)在自然界中是广泛存在的,其中包括水、土壤、沉积物、有机生命体、甚至火星土壤。它具有极大的比表面积和极高的表面活性,是环境中其他晶质铁(氢)氧化物的重要前驱体。它记录了自然环境发展变迁中矿物质的形成过程,这对地质科学和环境科学有重要意义。在自然环境和工业环境中,大比表面积和高表面活性使得纳米级水铁矿成为平衡污染物质(包括微量元素)的清道夫。在动植物及微生物等生命体中,它是维持体内铁元素平衡的铁蛋白的核心。因此,充分了解水铁矿的结构随地质年代的变化将有利于研究铁化学和跟踪自然界铁元素和相关微量元素的生物地球化学循环过程。

室温环境下,水铁矿表现为顺磁性。但是随着时间的推移,水铁矿的磁性逐渐增强。目前,科研人员对于磁性的起源仍未达成科学共识。这主要是因为水铁矿多为纳米颗粒,不满足常规测试手段对长程有序性的要求。而基于同步辐射的磁圆二色谱技术(XMCD)对材料的有序性要求不高,且具有元素分辨性、空间位置分辨性和对称分辨性,是获得配位信息的理想方法。

哪种铁氧化物形成且导致水铁矿磁性的增强?它们是如何分布的?为了解决这两个问题,研究团队首先在实验室通过水热处理方法模拟水铁矿在自然环境中的变化,发现随着处理时间的变化其磁性逐渐增强(图a)。XMCD实验结果(图b)证实了这个结果。同时,通过对比三种常见的铁氧化物的谱图发现,形成的γ-Fe2O3对磁性起到贡献作用。排除同样具有磁性的Fe3O4的形成。为了进一步明确是否有a-Fe2O3的生成以及分布。研究团队采集了X射线吸收谱(XAS)(图c和d),并使用标准谱对样品谱图进行线性拟合。发现a-Fe2O3和γ-Fe2O3主要分布于水铁矿团簇的表面,形成具有水铁矿核心和a-/γ-Fe2O3壳层的核壳结构(图e)。该研究充分说明在土壤的形成过程中存在磁赤铁矿和赤铁矿,而针铁矿并未形成。同时,证明在有氧环境下(如黄土高原),磁赤铁矿的形成导致土壤中磁性的增强。这种壳层结构的特性一方面有利于在自然环境中利用磁性相关方法提取水铁矿,作为深加工的原料;另一方面有利于利用磁性相关方法在工业污染物或水处理过程中分离出吸附在水铁矿表面的有害物质,提高效率。

强磁场中心曹亮副研究员作为本文的第一作者。研究成果获得了国家自然科学基金项目的资助。本工作合作单位还包括中国科学院地质与地球物理研究所、新加坡科技研究局、新加坡国立大学、深圳大学、澳大利亚国立大学及青岛海洋科学与技术国家实验室。

   

  图(a)磁化率和饱和磁化强度随着处理时间的变化。不同处理时间样品以及标准样品的(b)XMCD谱,(c)L-edge XAS谱和(d)K-edge近边吸收谱。(c)和(d)谱中红色实线为拟合谱。(e)水铁矿团簇随处理时间演变的示意图。

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