纳米矿物是指某种矿物的晶体大小在一维、或者二维、或者三维尺度上总是小于nm,与之维度对应的是棒状(纤维状)纳米矿物、片状纳米矿物、粒状纳米矿物。
1、“天生”的纳米矿物
(1)一维纳米矿物
一维纳米矿物呈现棒状、针状、纤维状,主要包括粘土矿物和氢氧化物,根据结构和晶体化学特性可划分为以下4类:
第1类是具有链层状结构富镁的硅酸盐矿物,其晶体结构中为了满足硅氧四面体片与镁氧八面体片尺度匹配,结构中硅氧四面体自由氧的朝向周期性反转,2个典型的矿物是坡缕石、海泡石,晶体形态总是呈现为直径20-60nm的棒状,而且这2种矿物都具有直径几个埃、蜂窝状排布的一维微孔孔道。
第2类是若干种层状结构的硅酸盐矿物,同样为了满足硅氧四面体片与镁、铝氧八面体片尺度的匹配片层发生卷曲,如伊毛缟石、埃洛石、纤蛇纹石总是呈现不同直径的中空管形态。
第3类是若干种锰氧化物矿物,如锰钾矿、锰钡矿、钙锰矿,锰氧八面体公棱连接成为截面具有1×1、1×2、2×2、2×3、3×3的一维孔道,总是呈现纳米直径的棒状晶体形态。由于其中存在二价、三价锰替代四价锰,带有结构负电荷,各种阳离子存在于晶体表面或者孔道内,不仅导致孔道结构的锰氧化物具有很复杂的成分,而且表现出很强的阳离子交换特性和孔径制约的分子筛分作用。为了与硅氧四面体骨架的硅酸盐矿物、沸石矿物分子筛相区别,特别地称之为八面体分子筛矿物。
第4类是铁的氢氧化物,针铁矿主要呈现针状、棒状形态,晶体直径为10-nm,长径比受到其形成时微环境影响。
(2)片状纳米矿物
片状纳米矿物中最典型的是层状结构粘土矿物、氢氧化物、层状双氢氧化物,如蒙脱石、水钠锰矿等都呈现纳米厚度片状形态,而且由于结构中类质同象替代(蒙脱石中主要铝替代硅,水钠锰矿中主要是二价、三价锰替代四价锰)产生结构负电荷,表现出阳离子交换特性。
层状双氢氧化物具有类似水镁石的结构,铝离子替代其中的镁离子而在层间出现平衡结构电荷的阴离子,因而又称阴离子粘土,在自然界很少聚集成矿,通常呈现纳米厚度的片状颗粒作为次要矿物存在于风化壳和土壤中,由于识别和发现困难较少受到