广州地化所伊毛缟石的形成机制研究获进展

伊毛缟石（Imogolite）是天然纳米矿物，具有单壁管状纳米结构，由卷曲的三水铝石片构成管外骨架，管内侧为原硅酸基团（O3SiOH）。伊毛缟石广泛分布在火山作用衍生的沉积环境中，如火山灰或凝灰岩的蚀变土壤，是由氧化硅和氧化铝溶胶共沉淀并在特定条件下晶化形成的，常与埃洛石、水铝英石等矿物共生或伴生。日本、新西兰和我国一些地区均已发现伊毛缟石产出，厄瓜多尔曾发现厚度约10m、面积达4000km2的水铝英石-伊毛缟石沉积层。而较纯的天然伊毛缟石往往以“凝胶膜”的形式存在于一些浮石层、风化火山灰沉积物下的未风化碎石层和玄武岩质残余土中。  

相比其它粘土矿物，伊毛缟石的矿物学和地球化学性质的研究程度很低。这是由于伊毛缟石颗粒极为细微（外径约为2纳米，内径仅为1纳米，管长仅几百纳米）且结构有序度低，其在电子束下的相稳定性差，采用透射电子显微镜等手段对其进行形貌、结构研究十分困难，因而对伊毛缟石的形成机制一直缺乏较明确的认识，尤其是对其形成过程中的中间产物体少有报道，限制了对与伊毛缟石、水铝英石等纳米矿物相关的地球物质循环过程机制的深入理解。  

近期，中国科学院广州地球化学研究所矿物表界面作用学科组袁鹏研究组通过伊毛缟石的模拟合成研究，探究了火山灰沉积环境中伊毛缟石的形成、生长机制。该研究提出采用原子力显微镜（AFM）、魔角旋转核磁共振谱等手段研究伊毛缟石形成的全过程中不同阶段产物的微观形貌、结构及硅铝的配位环境，系统探讨前体物质转化为管状伊毛缟石的控制因素和机理。研究发现，伊毛缟石形成初期，在亚纳米尺度上发生了球状开放型伊毛缟石局部结构（ImoLS，一种卷曲的、内侧羟基被原硅酸基团取代的三水铝石片段）向管状开放型ImoLS的转化。研究组还提出了伊毛缟石形成的五阶段模式：硅和铝水解形成的非晶质前体（简单低聚物等）；伴随无定型前体的消耗，开放型ImoLS形成；开放型ImoLS主导，进一步生长、组装成闭合型ImoLS（管状或球状）；闭合型ImoLS主导，继续增多（管状为主）；开放型ImoLS基本转化为管状闭合伊毛缟石，并持续通过定向聚合方式生长。

该研究结果提供了天然胶凝条件下开放型ImoLS（包括原伊毛缟石和原水铝英石）向闭合型ImoLS（即伊毛缟石和水铝英石）转化的确切信息，为理解伊毛缟石和水铝英石的共生产出现象提供了依据。该研究指出，伊毛缟石形成初期发生的球状形貌向管状形貌的转化率，是影响土壤中伊毛缟石和水铝英石比例的重要因素。形成纯相伊毛缟石的条件总体上较为严苛，即只有当Si/Al保持在一较窄范围内才能避免三水铝石等杂相的生成，这解释了天然伊毛缟石纯相产出较少的现象。此外，该研究证实了AFM作为伊毛缟石、水铝英石等超微纳米矿物形貌、结构研究的有效性，并提供了相应的获得高分散样品的制样方法。

相关研究成果发表在Applied Clay Science上。该研究得到了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会优秀会员项目、中科院-国家外专局创新团队国际合作伙伴计划等的资助。

伊毛缟石生长、形成的五阶段模式示意图