二氧化硅同质多像矿物的表面结构及水化特征差异性的计算模拟
SiO2矿物作为土壤和沉积物中的重要矿物组成,其表面及环境水介质界面在有机物及重金属的地球化学循环过程中起着重要作用.自然界中化学成分为SiO2的矿物主要有石英族矿物和非品质矿物蛋白石。土壤和沉积物中SiO2同质多像矿物主要为α-石英和α-方石英。前人对SiO2矿物的研究绝大多数集中于石英矿物，己在不同程度上对其表面基团和表面物理化学性质进行了研究。但是，同是化学成分为SiO2的矿物，晶体结构不同所构成的各种同质多像体，其晶体结构差异决定了表面基团类型和表面作用的多样性。同质多像体表面性质的差异极有可能表现出对典型有机物等吸附质的吸附特性不同，进而影响各类元素和化合物的地球化学循环过程。本研究选取了二氧化硅的两种同质多像体——α-石英和α-方石英作为研究模型。对α-石英，选择其自然界较稳定的三组表面(100)、(101)、(001)；对于α-方石英，选择其主要破裂面(100)、(101)、(111)构建羟基化表面。通过基于密度泛函理论的量子力学模拟优化各表面结构，并考察这六组表面的羟基拓扑结构特征和表面能。在此基础上，加入水分子层，采用分子动力学模拟研究石英和方石英各表面的水化结构差异。通过计算得到的石英表面能从低到高依次为(100)、(101)、(001)。表面能越低，自然界中该表面出现的概率越高．传统的实验和早期的模拟研究在考察石英和方石英的表面差异性时，往往仅对石英和方石英表面进行羟基密度和类型上的区分。本模拟结果发现石英和方石英表面水化特征主要受各表面的的羟基拓扑结构影响，对二氧化硅同质多像表面拓扑结构及其对石英—水界面特征的差异性提出了新的认识。
石英族矿物 二氧化硅 同质多像体 羟基拓扑结构 水化特征
周青 魏景明 朱建喜 朱润良 唐翠华 何宏平
中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/广州地球化学研究所,广州5106402;中国科学院大学,北京100049 中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/广州地球化学研究所,广州5106402
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2015-12-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）