武汉岩土所揭示了高岭土在极低相对湿度环境下的水分子外表面吸附行为

　　土壤水的吸附显著影响土壤的物理和力学性质，该过程主要发生在黏土矿物-水界面上，且黏土矿物表面的不同官能团对水的吸附行为存在一定影响。因此研究黏土矿物表面水的吸附行为对于黏土-水相互作用机制的理解非常关键。

　　武汉岩土力学研究所董毅研究员长期致力于包括黏土矿物微观作用机理和非饱和土吸附在内的多相岩土介质力学与工程方面的研究。针对水在高岭土外表面吸附行为这一课题，运用分子动力学和元动力学方法，基于提出的热力学框架，研究了水吸附时基质势能、吸附结构和吸附顺序等性质。结果表明：高岭土侧面由于质子化和去质子化过程，相比基面具有更强的吸附特性（侧面最低基质势能可达？1.86 GPa，低于基面的？0.92 GPa），吸附水主要形成H-up和H-down两种结构，这种差异主要由矿物表面氢键作用导致；水分子会优先吸附在侧面，其次吸附在基面；结合实验测得的Georgia高岭土的吸附等温线，运用修正BET模型分析，对Georgia高岭土的吸附等温线做了侧面吸附和基面吸附的分解，验证了该吸附顺序。该成果为黏土矿物持水和力学特性的研究提供了吸附过程的微观机理解释。

　　上述研究获得了国家自然科学基金NSFC-41702338、NSFC-51779254和NSFC-42277178的资助，相关成果以论文“Water adsorption on kaolinite basal and edge surfaces”发表在国际化学权威期刊Langmuir上。

　　论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c03282

图1 水在高岭土外表面的吸附顺序及微观SEM扫描　　  

图2 Georgia高岭石侧面与基面吸附等最低基质势能分析计算结果　　 　

图3 Georgia高岭土吸附等温线的分析以及基面与侧面最低势能的分子动力学模拟验证