用新技術研究地球寶藏——談21世紀礦物學的發展和走向

2021-01-19 中國科學院

    □ 中科院地化所研究員 陳豐
    人類的生存和發展離不開礦物。在歷史上，人們通過對礦物的開採和利用不斷豐富了礦物學的內容，而21世紀世界礦物學的發展趨勢和走向如何呢？
    預測21世紀的科學，乃至於某一學科的進展，有相當大的困難。20世紀礦物學是沿下列方向發展：1.礦物學是地質科學的基礎學科。2.地質科學中與數理化聯繫最密切的分支學科。這是礦物學最重要的特徵，也是它快速發展的動力。3.發展新材料研究，為經濟建設服務。礦物以其複雜的結構和性能，低廉的價格，有效的方向，成為發展新型無機材料的重要出發點，從而導致礦物材料學的形成。
    &ltb&gt21世紀礦物學的理論研究預測&lt/b&gt
    分子軌道理論和分子模擬研究：計算機的快速發展，使目前分子軌道(MO)理論已能用於礦物研究。其中從頭算法中的密度函數法將廣泛應用於礦物研究，分子模擬(Molecular Modelling)將成為礦物學的常規方法。它與高壓礦物研究相結合，在21世紀30年代之前將提供地幔和地核中的礦物結構、性能和相變完整知識。
    三維礦物物質研究：礦物是複雜的凝聚態三維物質。20世紀上半葉礦物X射線結構分析證實「320個空間群」的正確性。然而，70年代以來，礦物的調製結構(包括雲輝閃石等)、準晶態、C60的研究，把礦物結構研究推向一個更為廣闊的領域，320個空間群已成為「昨日黃花」。新的能夠統一晶態、準晶態、甚至玻璃態的數學描述，是21世紀20年代前的重要課題。
    C60及其衍生物的發現極大地推動了分子聚集體和材料科學的研究，從而導致富勒烯研究熱。C60更為重要的意義是它進一步推動分子聚集體，或者說團簇物理學的研究。
    礦物的表面和界面研究：表面科學是70年代形成的一門新興科學，表面分析儀器可以對表面及微區進行定量分析。礦物學是地學中首先開始表面研究的學科，但目前尚處於開創階段。礦物表面研究著重研究表面結構和表面組成，探討礦物表面的吸附、反應、沉積、擴散、催化和環境汙染等問題。這涉及臭氧層、氣溶膠等大氣化學作用，成巖成礦作用，以及礦物表面改性和應用課題。
    &ltb&gt礦物學研究方法的更新&lt/b&gt
    20世紀以來礦物學研究手段急劇更新，致力於解決二個基本問題：礦物晶體結構和礦物成分。礦物結構研究可以採用X-衍射、電子衍射、中子衍射、布裡淵散射、紅外光譜和喇曼光譜。礦物成分研究則包括化學分析、等離子譜、電子探針、掃描電鏡、離子探針和質子探針等。當前，礦物學研究正從毫米級進入微米級尺度研究。
    &ltb&gt地球科學研究&lt/b&gt
    礦物學研究是地球科學研究中最基本的一環。在重大問題上常常起到一錘定音的效果。相當多的地學工作者已經意識到當前地球科學的領域極寬，必須使用宏觀思維與微觀技術相結合的方法。但又在基金課題選擇和組織攻關項目上忽視礦物學者的作用，或者只把礦物研究等同於巖礦鑑定。實際上當前地學的許多關鍵課題，都需要礦物學者大展鴻圖。例如，造山帶(高壓變質，蛇綠巖等)；深部地質(組成，物理性質等)；古生物和現代生物，特別是微生物；全球變化(風化，沉積，紀年等)。
    &ltb&gt礦物材料研究&lt/b&gt
    礦物材料是根據天然礦物(包括某些巖石)的物理和化學性質，經過選礦、加工、合成或晶體生長，研製出的不同用途的新材料。當前，值得注意的新型材料有：納米材料、金剛石膜和微孔結構材料。最後，環境治理材料應引起更大的重視。
    納米材料：納米材料是由至少在一維尺度小於100nm的基本單元，在二維和三維空間無序堆積，或有序排列所組成新型材料。
    金剛石和金剛石膜合成：天然金剛石具有最高硬度、最高彈性模數、最低壓縮率、最高室溫熱導、紫外到紅外高透過率、以及比鍺和矽更高的帶隙，可用於製作更高溫度下使用的半導體器件。
    微孔結構材料：沸石，或者被稱為分子篩，是一種微孔結構材料，一般用於石油催化和氣體分離。傳統上，它們都是鋁矽酸鹽。十年來層狀固體材料中最突出的進展是柱撐(pillared)粘土研究。這是多孔材料的一個新家族。其特點比沸石孔徑大，正好彌補沸石孔徑不足的缺陷。它可製備出所需酸度、孔結構、機械強度和水熱穩定性的柱撐粘土。此外，Yang等(1996)合成在雲母上介孔SiO&ltsub&gt2&lt/sub&gt定向薄膜。而Bach等(1998)又開發了具有高效光電轉化效率的介孔TiO&ltsub&gt2&lt/sub&gt太陽能電池。其效率高達33%。
    環境治理材料：人類在工農業生產中導致大量的環境汙染。就目前情況來說，礦物材料中的粘土礦物，特別是蒙脫石以及沸石、滑石、水鎂石等礦物可以用來幫助解決環境汙染問題，應當加強研究。
    &ltb&gt小結&lt/b&gt
    21世紀將是一個礦物學急劇發展的時期。礦物學除了沿上述三大方向迅速取得突破性成果，以促進地球科學中的有關學科的定量化之外；礦物學將逐步擺脫僅僅作為基礎學科的地位，進行跨學科的聯合。
    更重要的是，21世紀在三維物質、表面研究、地球圈層狀態方程和生物礦物學領域上都將達到諾貝爾獎的水平。這可能是地球科學中能獲得諾貝爾獎的稀有機遇。
    從這些介紹中，我們宏觀地了解到了21世紀礦物學研究和發展的方向及與世界經濟發展對礦產需求的走向。這些介紹來源一個科學家半個世紀的研究積累和對世界各國科學家對這一學科研究的綜合，對關注這一科學發展的讀者將是可借鑑的寶貴材料。(科學時報記者熊和生採訪整理)

相關焦點

  • 礦物學地位大顛覆!50年礦物學大家說它影響人類進程!
    要先從礦物說起，地球上有大約5000多種礦物，由100多種元素組成，這些礦物並不屬於某些人或專屬於某個學科，而是全人類的寶貴禮物。人類出現和發展時間對地球歷史來說非常短，但礦物史卻很長，它的歷史比人類歷史早幾十億年，礦物在沒有人類甚至沒有生物前已經存在，可以說礦物促進了地球和生物的發展。
  • 21世紀科學社會主義的新發展
    (三)回答和解決時代發展提出的一系列新課題和新挑戰,仍然需要馬克思主義的科學方法和理論力量　　馬克思、恩格斯所處的「小時代」是以蒸汽動力技術為核心的工業革命時期,我們今天所處的「小時代」是以信息技術為核心的工業社會的高級階段。
  • 2015考研專業介紹:礦物學、巖石學、礦床學[070901]
    礦物學研究礦物，巖石學和礦床學則分別以礦物的天然集合體巖石和礦石為研究對象。它們先後產生於18世紀，相互間有緊密的內在聯繫，在研究對象和理論基礎上有許多共性。本專業對解決地質、礦產、能源、環境、材料、工程等問題有重要作用。
  • 好書丨礦物學研究方法及進展(2020年)
    礦物巖石是地球的最基本物質組成，蘊含有豐富的信息，它們的研究對揭示各種地質過程具有重要科學意義。
  • 人民智庫|21世紀世界社會主義將走向新發展階段
    當前，一批新興市場國家和發展中國家正在群體性崛起，西方資本主義陷入制度性困境，社會主義國家穩中有進，世界社會主義思潮流派和力量結構出現新變化，是百年未有之現象。中國特色社會主義具有東方文化的歷史底蘊和馬克思主義的基因特質，中國特色社會主義在 21 世紀的中國煥發出強大生機活力，成為振興世界社會主義的中流砥柱。
  • 21世紀海洋生物技術發展展望
    摘 要：本文根據近期的文獻資料，分析研究了目前國際海洋生物技術研究發展特點。重點領域及最新研究進展，展望對世紀海洋生物技術研究的發展趨勢，並就我國海洋生物技術發展提出相應的建說。　　為了適應這種快速發展的形勢，美國、日本、澳大利亞等發達國家先後制定了國家發展計劃，把海洋生物技術研究確定為21世紀優先發展領域。1996年，中國也不失時機地將海洋生物技術納入國家高技術研究發展計劃（863計劃），為今後的發展打下了基礎。
  • 開闢21世紀馬克思主義發展新境界
    習近平新時代中國特色社會主義思想是當代中國馬克思主義、21世紀馬克思主義，是系統科學的理論體系。它是當代中國最亮麗的精神旗幟，是新時代的時代精華和精神標識，以嶄新的思想內容豐富和發展了馬克思主義，由此而開闢出21世紀馬克思主義發展的新境界。 我們講習近平新時代中國特色社會主義思想是21世紀馬克思主義，乃是立足於馬克思主義的時代性及其在全球發展的階段性。
  • 新世紀將對人類產生重大影響的十大科技趨勢
    二、生命科學領域——21世紀，生命科學將發展成為新一輪自然科學革命的中心，並將跨越物理世界與生命世界不可逾越的鴻溝，使之統一起來。21世紀，生命科學仍將向最基本的、最複雜的微觀和宏觀兩極發展：一方面，分子生物學和量子生物學將廣泛地向其分支學科領域滲透；另一方面，生態學又向研究具有複雜功能的生態系統乃至生物圈方向發展。
  • 施一公撰文談生命科學:21世紀最活躍的學科—新聞—科學網
    施一公 （資料圖片） 20世紀80年代初，曾經有人預言：「21世紀將是生物學的世紀」。如今，30多年過去了，這個學科到底發展得怎麼樣？
  • 中國教育發展報告:義務教育走向質量發展新道路
    本文轉自【中國新聞網】；中新網北京7月11日電 (李京澤)21世紀教育研究院與社會科學文獻出版社11日發布《教育藍皮書：中國教育發展報告(2020)》(以下簡稱「報告」)，報告指出，2019年，全面改善貧困地區義務教育薄弱學校基本辦學條件完成掃尾工作
  • 21世紀初美洲、歐洲、亞洲科技發展的優先領域
    21世紀是一個全新的世紀。科技發展日新月異，世界經濟迅速轉型，從資源驅動、資本驅動向創新驅動型經濟轉變，科學技術成為經濟發展和社會進步的主要動力。在21世紀初，發達國家和發展中國家紛紛制定科技發展戰略，部署優先支持的重點領域。這裡我們簡要介紹美洲（美國）、歐洲（英國、德國和歐盟）和亞洲（日本、韓國和中國）科技發展戰略的優先領域。
  • 因為這部書,「不務正業」的醫生竟成了「礦物學之父」
    阿格裡科拉在學生時代就對化學有濃厚興趣，自從在約阿希姆斯塔爾當了醫生後，他就琢磨著用當地豐富的礦藏製備新藥物，只是一直忙著為居民們治病，便將此事耽擱下來。因此，他懷著找病因和制新藥的雙重目的，一踏進礦廠就開始忙碌起來，從採礦的技術工藝到工人們的生活方式，全都事無巨細地記錄在案。
  • 海水淡化技術研究新進展和發展趨勢
    北極星水處理網訊:摘要：進入21世紀，由水資源短缺所引發的危機在全球範圍內蔓延，發達國家紛紛將目光投向海水淡化，大力發展本國的海水淡化產業。在國家的推動下，我國的海水淡化產業得到較快發展，但由於多方面的制約，我國海水淡化產業的發展狀況並不容樂觀，我國海水淡化產業只有突破瓶頸才能得到較快發展。
  • 新發現行星的礦物學可能指向可居住性
    就像生命一樣，地球上的巖石也在不斷發展和「特定」。熱，水和氧氣驅動新礦物的產生 - 早期碰撞，融化和火山過程提供必要的加熱力。板塊構造有助於將地殼元素和礦物質推向新的壓力條件。值得注意的是，除此之外，我們這個星球上的大部分礦物多樣性今天都歸功於地球的生命形態和生物過程。
  • 前沿研究丨21世紀工程領域的重大挑戰
    Mote Jr（牟德）在中國工程院院刊《Engineering》撰文指出，工程的基本使命是為用戶進行創造，20世紀是一個工程成就非凡的時期，而21世紀是工程創新和技術變革加速的世紀。經過人類不斷地「為用戶進行創造」，通過新的想法、能力和價值來滿足「用戶需求」，從而促進人類的生活、知識和繁榮，人類在生命形式中的地位逐漸突出。其他生命形式無法與人類競爭，因為它們在思想、機會、行動和理解自身需求方面的適應能力有限。人類工程帶來的如今的物種進步而不是滅絕的故事漫長且具有優勢。因此在數千年後的21世紀，我們可以提問，人類工程應該如何利用其全球主導地位來保護而不是剝削地球。
  • 21世紀人類面臨的新挑戰 | 中國工程院院刊
    文中作者指出，21世紀的地球將進入人類世，全球將面臨兩大挑戰：人口激增與氣候變暖，基因技術、人工智慧、機器人技術、太空探索技術等一系列新興技術，將在幫助人們應對挑戰中發揮更大的作用。當然新技術也是一把雙刃劍，會帶來新的不確定性。科學家和工程師有義務推廣其工作成果的有益應用，並對其弊端予以警告。註：風雲之聲內容可以通過語音播放啦！
  • 潛在探月地點礦物學研究
    SPA被認為是月球上最古老和最大的撞擊盆地，科學家們一直認為它是未來月球登陸者的目標。美國宇航局戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的博士後研究員丹·莫裡亞蒂(Dan Moriarty)說：這是一個非常詳細的研究，用現代的、前沿的數據來觀察這個巨大衝擊盆地的構成結構。
  • 21世紀，科學與神學的統一
    21世紀，經典物理學走到盡頭，量子理論把物理學帶到神學邊緣。科學探索走進神奇、怪異的領域。2004年，一名來自俄羅斯的「火星男孩」引起全世界的矚目。這個年僅8歲的男孩，自稱來自火星，講述了火星上的高等文明以及超前科技，他豐富的天文知識讓科學家震驚不已。
  • 人類走向文明的新時代!新技術革命——時代進步的領者
    現代生產迅速發展的需要，以及人類現代文明發展的多方面需要，是現代高新技術產生和發展的根本動力。自然科學的巨大成就為現代高新技術的產生奠定了理論基礎。戰爭和國家間的對抗，是刺激高新技術產生和發展的一個重要因素。使得新技術革命的產生和迅速發展。
  • 經濟每月談:推進綠色發展、循環發展和低碳發展
    其實很重要的含義，是特別重視自然資本和全成本的核算，這個指標裡也體現了社會的發展和人的全面發展。2012-11-30 09:53:42王玉慶: 大家知道，2000年，我們進入了一個新世紀——二十一世紀。實際上，頭十年有兩件大事，涉及到全球幾乎所有國家、所有人。哪兩件大事呢？一件就是氣候變化。