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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對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于黏土-水相互作用機制的理解非常關(guān)鍵。

武漢巖土力學(xué)研究所董毅研究員長期致力于包括黏土礦物微觀作用機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。針對水在高嶺土外表面吸附行為這一課題，運用分子動力學(xué)和元動力學(xué)方法，基于提出的熱力學(xué)框架，研究了水吸附時基質(zhì)勢能、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，相比基面具有更強的吸附特性（側(cè)面最低基質(zhì)勢能可達？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；水分子會優(yōu)先吸附在側(cè)面，其次吸附在基面；結(jié)合實驗測得的Georgia高嶺土的吸附等溫線，運用修正BET模型分析，對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理解釋。

上述研究獲得了國家自然科學(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)勢能分析計算結(jié)果　　 　

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