Европейские физики нашли объяснение постоянной влажности полевого шпата. Оказалось, что кристаллическая структура микроклина, минерала, относящегося к группе полевых шпатов, формирует гидроксильную поверхность, обеспечивающую легкое взаимодействие с влагой из атмосферы. При этом вода, первоначально покрывающая минерал, выделяется из его внутренних пустот.
Полевой шпат — самый распространенный минерал на планете Земля. Он составляет около половины земной коры и является компонентом многих горных пород. В процессе выветривания полевой шпат превращается в глину и почву, поглощает углекислый газ из атмосферы и обеспечивает растения необходимыми элементами питания. Этот минерал присутствует в воздухе в виде пыли и участвует в формировании атмосферных осадков, таких как снег и град. Однако долгое время оставалось неясным, почему полевой шпат обладает высокой способностью к связыванию с водой и почему его поверхность всегда влажная.
На этот вопрос ответили две группы физиков, представляющих Австрию, Германию и Финляндию. В ходе исследования атомной структуры минерала было установлено, что чередование ионов алюминия и кремния приводит к формированию стабильной гидроксильной поверхности, с которой легко связывается влага из атмосферы. Две работы ( 1, 2) об этом вышли в журналах Journal of Physical Chemistry Letters и Nanoscale.
Ученые проводили эксперименты с микроклином — силикатным минералом, относящимся к группе полевых шпатов и имеющим химическую формулу KAlSi3O8. Для исследования образец поместили в камеру с ультранизким давлением и раскололи вдоль естественной плоскости спайности, в результате чего две его поверхности оказались сухими. Тем не менее, при расколе было зафиксировано кратковременное повышение давления воды. По мнению физиков, вода могла выделяться из глинистых включений, содержащихся в минерале, или из флюидных полостей — микро- и наноразмерных пустот.
Авторы полагают, что именно эта вода способна гидроксилировать поверхность минерала. Кристаллическая структура полевого шпата является триклинной и центросимметричной. Ее трехмерный каркас формируется тетраэдрами диоксида кремния и оксида алюминия, соединенными вершинами, а крупные полости заполнены калием. Влага крепится к этим вершинам из полостей, что приводит к образованию гидроксильной поверхности шпата.
Используя теорию функционала плотности из физики, была определена энергия адсорбции воды. Расчеты показали, что все доступные молекулы H2O с вероятностью 100% адсорбируются на микроклине. В результате, атмосферная влага легко взаимодействует с поверхностью минерала.
Анализ, проведенный с использованием масс-спектрометра, выявил достаточное количество высвобождаемой воды для завершения гидроксилирования поверхности. Примечательно, что сухая поверхность шпата не формируется, поскольку минерал гидроксилируется сразу после образования. Полученные данные в перспективе могут способствовать пониманию механизмов формирования атмосферного льда из частиц полевого шпата.