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土壤水的吸附顯著影響土壤的物理和力學(xué)性質(zhì)，該過程主要發(fā)生在黏土礦物-水界面上，且黏土礦物表面的不同官能團(tuán)對(duì)水的吸附行為存在一定影響。因此研究黏土礦物表面水的吸附行為對(duì)于黏土-水相互作用機(jī)制的理解非常關(guān)鍵。

武漢巖土力學(xué)研究所董毅研究員長(zhǎng)期致力于包括黏土礦物微觀作用機(jī)理和非飽和土吸附在內(nèi)的多相巖土介質(zhì)力學(xué)與工程方面的研究。針對(duì)水在高嶺土外表面吸附行為這一課題，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)和元?jiǎng)恿W(xué)方法，基于提出的熱力學(xué)框架，研究了水吸附時(shí)基質(zhì)勢(shì)能、吸附結(jié)構(gòu)和吸附順序等性質(zhì)。結(jié)果表明：高嶺土側(cè)面由于質(zhì)子化和去質(zhì)子化過程，相比基面具有更強(qiáng)的吸附特性（側(cè)面最低基質(zhì)勢(shì)能可達(dá)？1.86 GPa，低于基面的？0.92 GPa），吸附水主要形成H-up和H-down兩種結(jié)構(gòu)，這種差異主要由礦物表面氫鍵作用導(dǎo)致；水分子會(huì)優(yōu)先吸附在側(cè)面，其次吸附在基面；結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Georgia高嶺土的吸附等溫線，運(yùn)用修正BET模型分析，對(duì)Georgia高嶺土的吸附等溫線做了側(cè)面吸附和基面吸附的分解，驗(yàn)證了該吸附順序。該成果為黏土礦物持水和力學(xué)特性的研究提供了吸附過程的微觀機(jī)理解釋。

上述研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金NSFC-41702338、NSFC-51779254和NSFC-42277178的資助，相關(guān)成果以論文“Water adsorption on kaolinite basal and edge surfaces”發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威期刊Langmuir上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c03282

圖1 水在高嶺土外表面的吸附順序及微觀SEM掃描　　  

圖2 Georgia高嶺石側(cè)面與基面吸附等最低基質(zhì)勢(shì)能分析計(jì)算結(jié)果　　 　

圖3 Georgia高嶺土吸附等溫線的分析以及基面與側(cè)面最低勢(shì)能的分子動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證