بخشی از مقاله
خلاصه
به طور کلی، خاک مخلوطی از دانه های خاک با دامنه وسیعی از اندازه ذرات می باشد. ، کوچکترین ذرات در محیطهای خاکی ذرات نانو می باشند کهمعمولاً بین 1 تا 100 نانومتر هستند و به سه شکل متفاوت وجود دارند: صفحات کوچک نانو، سیمهای نانو یا لولههای نانو و نقاط نانو. به علت اندازه کوچک آنها، ذرات نانو خاک معمولاً خصوصیات سطحی ویژه و بهبودیافتهای از خود نشان میدهند و درنتیجه بهصورت فعالتری می توانند با سایر ذرات خاک و محلولها اندرکنش داشته باشند. در این مقاله، بعضی از نانو ذرات خاک و خصوصیاتشان شامل مساحت سطح مخصوص، ریختشناسی ذرات و بار سطحی بهصورت خلاصه آورده شده است.
به علت مساحت سطح مخصوص بسیار زیاد، بار سطحی و گاهی اوقات تخلخل در ابعاد نانو، این ذرات ممکن است بهطور قابلملاحظهای روی رفتار فیزیکی و شیمیایی کل محیط خاک و خصوصیات مهندسی آن تأثیر بگذارند. خاکهای حاوی ذرات نانو به همراه حفرات داخلی ذرات که در ابعاد نانو هستند معمولاً حد روانی و پلاستیک بیشتری از خود نشان میدهند که اغلب افزایش همزمان تیکسوتروپی و مقاومت برشی خاک می گردند. برای نشان دادن تفاوت بین ذرات نانو و ذرات رسی قدیمی، یک نوع جدید از ذرات خاکی بانام »نانو سول« پیشنهادشده است تا ذرات نانو خاک را تعریف کند.
1.مقدمه
خاک مخلوطی از ذرات با محدوده وسیعی از اندازه ذرات است که ممکن است از 1 نانومتر تا 75 میلیمتر - حد بالایی ذرات شن - متغیر باشد - لمب1و ویتمن ،1969 2، . - ASTM 2006 اینچنین محدوده وسیعی ازاندازه ذرات خاک را به یکی از مواد پیچیده برای مطالعه، فهم، مدلسازی و استفاده تبدیل کرده است.بهطورکلی، ذرات خاک در ابعاد نانومتر در مقایسه با ذرات بزرگتر دیداًش خصوصیات متفاوت یابهبودیافتهای از خود نشان میدهند. این تغییر در رفتار به دو دلیل است: مساحت سطح مخصوص بسیار بیشتر و نفوذ تأثیرات کوانتوم - ؟؟؟ - . - TRS , 2004 - با کوچک شدن اندازه یکذره، در یک وزن مشخص درصد بیشتری از اتمها و مولکولها روی سطح ظاهر میشوند.
درنتیجه، خصوصیات سطحیشان - مانند خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی و واکنشپذیری - پراهمیتتر و حتی نمایانتر میشوند، درحالیکه خصوصیت جرمیشان کماهمیتتر می گردد. به عنوان مثال، یک خاک درشت دانه حتی اگر سطح ذراتش توسط ریزدانه پوشیده شده باشد کماکان رفتار متفاوتی را نسبت به یک خاک ریزدانه از خود نشان می دهد.ذرهای که حداقل یک بعد با مقیاس نانومتری 1 - تا 100 نانومتر - داشته باشد بهعنوان ذره نانو تعریف میشود. بر اساس تعداد ابعادی که در مقیاس نانو می باشند، ذرات نانو خاک به سه شکل کلی قابل دسته بندی هستند: صفحات کوچک نانو - بهعنوانمثال بعضی ذرات صفحهای کانی رسی با یک بعد در مقیاس نانو - ، سیمها یا لولههای نانو - ذرات الیافی با دو بعد در مقیاس نانو - و نقاط نانو - ذرات نانو با سه بعد در مقیاس نانو - - TRS
. - 2004 درگذشته، ذرات نانو بهطور ویژه از ذرات رسی تمایز داده نمیشدند و درنتیجه در رده ذرات با اندازه رسی طبقهبندی می گردیدندکه احتمالاً به علت نبود امکانات پیشرفته برای توصیف خصوصیات و تصویر ذرات نانو بوده است. اخیراً پیشرفتهای علم نانو و فناوری نانو مطالعه با جزئیات ذرات نانو را ممکن ساخته است. علاوه بر این، با کشف شدن کاربردهای بیشتر ذرات نانو در مواد، توجه بیشتری بهخصوصیات ذرات نانو معطوف شده است که شامل محیط طبیعی خاکها نیز گردیده است. برای مثال، اسمکتیت ها برای ساخت یک رده جدید از ترکیبات نانو پلیمری رسی مورداستفاده قرارگرفتهاند که خصوصیات بهبودیافتهای نسبت به پلیمرهای خالص از خود نشان می دهنددرنتیجه، بر پایه مطالعاتی که روی کاربردهای نو ذرات نانو خاک انجامشده است می توان نتیجه گرفت که برای توسعه کاربرد نانو ذرات، درک عمیقتری از این ذرات و خصوصیاتشان مورد نیاز میباشد.این پژوهش در داابت نگاهی کلی به تعدادی از ذرات نانو معمول - و نه لزوماً گسترده - در خاک و خصوصیاتشان همچون ریختشناسی، مساحت سطح مخصوص - 1، تخلخل نانو و بار سطحی دارد.
2.نگاه کلی به ذرات نانو خاک و خصوصیات آنها
بر اساس تعریف، ذرات نانو بر اساس اندازه کوچکشان توصیف میشوند. همچون تمام ذرات نانو، اندازه کوچک باعث ایجاد یک سطح مخصوص SSA - شدیداً - بزرگ میشود - سطح کلی در واحد جرم - . بهعلاوه، ذرات نانو خاک معمولاً در محیط طبیعی کنترل نشدهای در طی فرآیندهای بسیار تدریجی فیزیکی، شیمیایی یا زیستی تشکیل میشوند و درنتیجه با طور ناچیزی دارای ساختمان بلوری همراه با بار سطحی متغیر یا ثابت یا هر دو - گوون - 19922 هستند. نتایج قبلی حاصل از پیوندهای شکسته شده در سطوح و خصوصیات بار آنها تابع حلالیت شیمیایی است، درحالیکه نتایج اخیر به علت جایگزینی همریختی درون ساختار بلوری است و تحت تأثیر حلالیت شیمیایی نیست. بار سطحی بهوسیله ظرفیت تبادل کاتیون 3بهخوبی تعریف میشود.
علاوه بر این، بعضی از ذرات نانو متخلخل و دارای حفرات بینذرهای در مقیاس نانو هستند. وجود تخلخل نانو نهتنها باعث افزایش قابلملاحظه مساحت سطح مخصوص - به علت افزایش مساحت سطح داخلی درون ذرات - و درنتیجهظرفیت جذب میشود - بهطور مثال حفظ آب، جذب ارگانیک - ، بلکه چگالی حجمی را نیز کاهش میدهد. درنتیجه ذرات نانو متخلخل میتوانند شدیداً روی خصوصیات خاک تأثیر بگذارند، حتی در یک بخش کوچک و گاها در حد چند درصد - ژنگ1و همکاران، 2004a؛. - 2004bدرک اثرات ذرات نانو خاک بر خصوصیات مهندسی خاک نیازمند درک جنبههای بنیادی خود ذرات نانو میباشد.
این بخش یک خلاصه کلی از ذرات نانو معمول در محیطهای خاکی ارائه میکند که شامل اسمکتیت , 2ایموگلیت ,3هالویسیت,4پالیگوزکیت ,5سپیولیت6آلوفین ,7هماتیت 8و ژئوتیت9است. در جدول 1 خصوصیات بنیادی این نانو ذرات را بهصورت خلاصه بیانشده است. این ذرات نانو بر اساس ریختشناسی ذره به سه دسته تقسیمشدهاند: صفحات کوچک نانو، سیمها یا لولههای نانو و نقاط نانو. بهتر است که به دو ماهیت اصلی دیگر خاکها نیز اشارهکنیم: ماهیت ارگانیک میکروسکوپی - معمولاً گیاهان - و آغازیان بیوژنیک. گیاهان ممکن استبهصورت سیمها یا نقاط نانو وجود داشته باشند، درحالیکه آغازیان با محدوده اندازه 5 تا 20میکرومتر معمولاً دارای منافذ نانو هستند - دریس10و همکاران . - 1989 اگرچه به علت ریختشناسی، ساختار شیمیایی و ترکیب پیچیده آنها، در اینجا موردبحث قرار نمیگیرند.
