Физики выяснили, почему полевой шпат не бывает абсолютно сухим

Полевой шпат — наиболее распространенный минерал на Земле. Он составляет половину земной коры, а также образует другие породы. При выветривании полевой шпат превращается в глину и почву, поглощает из атмосферы углекислый газ и обеспечивает растения питательными веществами. Среди прочего он встречается в воздухе в виде пыли и участвует в образовании атмосферного льда — снега и града. Но никто не понимал, почему полевой шпат легко связывается с водой и его поверхность постоянно влажная.

Ответом на этот вопрос занялись две группы физиков из Австрии, Германии и Финляндии. Они изучили атомную структуру минерала и выяснили, что чередование ионов алюминия и кремния образует постоянно гидроксильную поверхность, с которой уже легко соединяется атмосферная влага. Две работы (1, 2) об этом вышли в журналах Journal of Physical Chemistry Letters и Nanoscale.

Объемная модель структуры микролина / © Giada Franceschi et al.

Исследователи проводили опыты с микроклином — силикатным минералом группы полевых шпатов с химической формулой KAlSi3O8. Образец поместили в сверхвакуумную камеру и расщепили его по естественной плоскости спайности — так, что две стороны оказались сухими. Однако при разломе ученые наблюдали всплеск давления воды. Физики предположили, что она взялась из глинистых включений внутри минерала либо из флюидных — микро- и наноразмерных полостей.

Именно эта вода, по мысли авторов, может гидроксилировать поверхность минерала. Дело в том, что кристаллическая структура полевого шпата триклинная и центросимметричная. Ее трехмерный каркас состоит из тетраэдров диоксида кремния и оксида алюминия, которые соединяются вершинами, а в крупные полости включен калий. Как раз к этим вершинам крепится влага из полостей, вследствие чего поверхность шпата становится гидроксильной сама по себе.

Молекулярные модели поверхности микролина в сухом и гидроксилированном состояниях, а также с дополнительными молекулами воды / © Giada Franceschi et al.

С помощью теории функционала плотности физики рассчитали энергию адсорбции воды. Выяснилось, что любые доступные молекулы H2O с вероятностью 100% прилипнут к микроклину. Поэтому атмосферная влага легко соединяется с поверхностью минерала.

Измерения на масс-спектрометре показали, что высвобожденной воды хватает для полного гидроксилирования поверхности. Удивительно, но сухая поверхность шпата попросту не образуется, поскольку минерал гидроксилируется сразу. Результаты исследования могут в дальнейшем помочь ученым разобраться, каким образом частицы полевого шпата образуют атмосферный лед.