[分享]纳米地质学:地学领域革命性挑战

发表于2014-01-02    594人浏览    0人跟帖    总热度:10  

摘要:地质学经过几百年的发展,在宏观和微观领域已经取得了重大进展。伴随着科技的巨大进步,地质学正向更宏观和更微观的两极方向发展,即天体地质学和纳米地质学。由于纳米颗粒和纳米孔隙具有显著的特有属性,研究地质作用过程中纳米结构的形成机理、演化机制和聚集状态具有重要的科学价值。


会议执行主席琚宜文、都有为、王焰新、陈天虎、孙岩(前排从右到左)
会议执行主席琚宜文、都有为、王焰新、陈天虎、孙岩(前排从右到左)


琚宜文教授做主题评述报告
琚宜文教授做主题评述报告


   2013年1月1日,美国纳米学会主席AliEftekhari教授强调:“任何事情都需要创新,纳米地质学也不例外。我们在考虑问题时,必须有着不拘一格的思维方式,不断地求新求异而不是因循守旧。从认知科学的角度来讲,要获得成果必须改变思维定式。相信我们可以突破传统,彰显潜力。”
   2013年9月5日,中国国际纳米科学技术会议(ChinaNANO2013)在北京召开。中国科学院院长、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家白春礼院士指出:随着人类对客观世界认知的革命,纳米科技将引发一场新的工业革命,当前应当进一步促进纳米科技的产业转移转化力度。
   为推动地质学向更微观的层次迈进,进一步理清纳米地质学的科学内涵和主要研究方向,深入探讨纳米矿物学与岩石学、纳米构造地质学与地球化学、纳米能源地质学与矿床学、纳米地震地质学与环境地质学等关键科学问题,系统研究并集中凝练纳米地质学及纳米成藏成矿领域的重大和前沿问题,全面促进纳米地质学及纳米成藏成矿科技攻关,从而进一步丰富和发展纳米地质学理论和方法,为能源与矿产资源勘探开发提供重要科学基础,为环境保护和灾害预测提供重要科技支撑,2013年11月5日~7日香山科学会议在北京召开了以“纳米地质学及纳米成藏成矿前沿科学问题”为主题的第476次学术讨论会。
   南京大学都有为院士、中国科学院大学琚宜文教授、中国地质大学(武汉)王焰新教授、合肥工业大学陈天虎教授、南京大学孙岩教授共同担任会议执行主席,来自高等院校、科研院所和管理部门的国内外40多位专家学者出席会议。与会专家围绕(1)纳米矿物学与岩石学:纳米晶格与表面效应以及岩矿成因;(2)纳米构造地质学与地球化学:纳米变形与化学行为及其机理;(3)纳米能源地质学与矿床学:纳米成藏成矿效应及动力学机制;(4)纳米地质学与环境和灾害问题:新的前景与挑战等中心议题进行了深入讨论并提出建议。
   一门新兴的高度综合的交叉学科
   都有为院士在题为“纳米科技概况”的主题评述报告中指出,《Science》杂志曾这样形容纳米科技:“它是一把神奇的雨伞,几乎覆盖了所有的学科领域;它是一把锤子,研究者就像几岁的孩子,拿着这把锤子敲打世界。”纳米科技是人类认识客观世界的新层次,是一门综合和交叉学科,是21世纪科技的制高点,具有重大的战略意义,对国民经济的发展将会起着革命性的作用。当前所有发达国家的政府和企业都对纳米科技研发进行了大量的投入,试图抢占这一21世纪科技战略制高点。都有为院士强调,要实现国民经济的跨越式发展,必须紧紧抓住纳米科技发展这一良好机遇。
   琚宜文教授在题为“纳米地质学与纳米成藏成矿重大科学问题”的主题评述报告中,阐述了纳米地质学的基本概念和研究方法,详细总结了纳米地质学及各个分支学科的研究进展,并对该领域的重大和前沿科学问题进行了归纳和凝练,由此深入探讨了纳米地质学未来的发展趋势。
   琚宜文教授提出纳米地质学的科学内涵是:以纳米科学与地质学为依托,以纳米技术工具与地质工具为手段,以固体地球物质为研究对象,对各种地质体中已知或有待探知的纳米颗粒和纳米孔隙进行深入研究,从而揭示地质过程中纳米尺度信息与地质现象关系及其成因规律的科学。纳米科技与地质学结合产生的各分支学科包括:纳米矿物学、纳米岩石学、纳米地球化学、纳米构造地质学、纳米能源地质学、纳米矿床学、纳米地震地质和纳米环境地质学等。
   纳米矿物学的研究及纳米材料的开发利用是矿物学发展史上的又一突破性进展,是纳米地质学的支撑理论之一;纳米岩石学将为岩石学家拓展纳米级尺度观测的视野;纳米地球化学将向元素迁移过程的微观机制迈步;随着纳米技术在地学领域的发展和应用,纳米矿床学也必定会以自身独特的优势取得里程碑式的进展;纳米构造地质学为纳米尺度构造的研究提供了重要方法和依据;纳米技术在能源尤其是非常规能源方面具有很好的发展前景;纳米地质学及其成藏成矿是目前地质学与纳米科学的研究前沿和热点。
   琚宜文教授表示,纳米地质学是认知思维的重大创新,是地学领域革命性挑战。纳米地质学研究是一门新兴的高度综合的交叉学科,很难划分出经典意义上的单科性研究,需要多门学科综合研究。纳米科技在地质学中的应用非常广泛,各个分支均可在纳米理论的指导下取得原创性成果。
   关键科学与技术问题
   我国从20世纪80年代后期开始思考并探索纳米地学问题,在纳米地质学研究的起步和发展阶段就已处于世界前沿。早在上世纪90年代初我国地质学家就已将纳米科技引入到地质学领域,初步形成了纳米科学与地质学的结合,提出了纳米地质学的基本概念并获得了初步认识。在此之后,M.F.Hochella(2002),S.K.Lower,etal.(2002)等国外地质学家讨论了纳米科技在地球科学中的应用,并进行了纳米地球科学的展望。
   与会专家分析认为,地学领域已经引入纳米科技并在矿物学、岩石学、地球化学、构造地质学、能源地质学和矿床学等领域取得了丰硕的研究成果,但纳米地质学的尺度问题、关键难题以及测试与表征问题等尚未解决,缺乏系统和综合的纳米地质学理论。纳米地质学作为一个全新的领域,应集中解决纳米地质学及纳米成藏成矿领域的重大和关键前沿问题,促进纳米地质学科向深度、广度和高度发展,为我国经济和社会发展作出更大的贡献。
   与会专家通过讨论后一致认为,纳米地质学关键科学与技术问题主要包括以下几个方面:
   一、虽然前人已将纳米科技引入地质学的分支领域并对纳米矿物学、纳米构造地质学、纳米能源地质学以及纳米矿床学等方面出现的某些具体问题进行了不同程度的研究,但尚未形成纳米地质学学科体系与成藏成矿系统。因此,纳米地质学理论与应用的系统性研究是重要的科学与技术问题。
   二、纳米尺度问题是纳米地质学的核心问题,包括时间尺度和空间尺度。如何在纳米尺度上解决微观和宏观尺度所出现的地质科学问题和资源环境灾害问题,准确地认识地质演化过程中纳米现象的普遍性和纳米物质的稳定与非稳定性,以及如何发现和阐明纳米颗粒的地质效应等是当前国际上研究的前沿问题。
   三、基于国内外纳米地质学的研究进展和发展趋势,现阶段应重点对地质体中纳米物质的形成条件、演化机理、运移聚散、地质效应、开发利用以及环境灾害等亟待解决的科技问题开展系统和整体研究,从而加深对纳米矿物、岩石、构造、地化、能源和矿床等分支学科的认知。
   四、纳米地质学的研究需要运用现代先进的测试和表征方法。如何采用以扫描隧道效应为基础的纳米测试技术探测天然条件下纳米物质与结构,如何利用超短激光和X射线脉冲实验,刻画地质过程中纳米物质的动态变化,如何采用分子动力学的方法模拟地质作用下纳米结构的演化机制等,都是当前面临的急需解决的重要技术问题。
   专家共识与建议
   在广泛交流和深入讨论的基础上,与会专家一致达成以下主要共识:
   纳米科技的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有的领域产生革命性的变化,地质学也不例外。纳米地质学的明确提出拓展了地质学研究的微观领域,开拓了地质学和纳米科学交叉的新兴学科。目前纳米地质学各个领域已取得突破性进展,研究地质作用过程中纳米颗粒和纳米孔隙结构的形成与演化机理以及纳米颗粒聚集状态与性能,具有重大科学意义与广泛应用价值。
   纳米尺度的地质学研究经过20多年的探索和发展,在以下几个研究方向取得了重要进展和突破,包括:纳米地质学与传统地质学的差异与联系;纳米物质与纳米孔隙及其界面特性;纳米物理化学行为及矿物—生物相互作用;纳米成藏成矿特征;纳米地质学在材料、环境和灾害科学中的应用等。
   我国纳米地质学研究面临着全新的战略机遇和革命性的挑战。纳米地质学因自身的特异性,比其它学科更为复杂。借助纳米科学和地质学的研究手段、经验和成果,充分依靠已取得的国际学术前沿优势,进一步加强基础与应用研究,提升纳米地质学领域自主创新能力,将为矿物与碳基新型材料利用、能源与矿产资源勘探开发以及环境保护和灾害预测等提供坚实的理论基础。
   与会专家就加快我国纳米地质学发展提出如下建议:
   由于纳米地质学是一个全新领域,关键性难题还未解决,缺乏系统和综合研究,建议国家科研机构和管理部门从战略高度重视并促进纳米地质学及其成藏成矿作用这一前沿交叉学科的形成和发展;建议国家相关部门、政府和企业加大对纳米材料、纳米成藏、纳米成矿及其资源开发与利用、各种环境微粒污染以及煤矿瓦斯与地震灾害等资源、环境和灾害领域的研究经费投入。
   纳米地质学研究涉及物理、化学、生物、材料、技术等众多问题,科学研究上存在很大的难度,建议国家和地方加强投入力度,建立不同层次的与纳米地质学有关的实验测试平台或重点实验室,设立国家纳米地质学创新中心,开展联合科技攻关,集中解决一批关键科技难题,不断提升我国纳米地质学自主创新能力。
   纳米地质学应高度重视多学科交叉和研究团队建设,建议国家相关部门和机构制定相应的政策,激励不同学科的科研人员共同研究,加强国际同行之间的学术交流与合作,培养更多的年轻人才,创建具有全球视野的全国性或国际性学术组织,凝聚一支该领域多学科交叉的研究团队,以期在纳米地质学相关前沿科学问题上取得重大突破。

来源:和讯网

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