แฟรงค์ ฮอว์ธอร์น
แฟรงค์ ฮอว์ธอร์น | |
|---|---|
ฮอว์ธอร์นในปี 2010 | |
| เกิด | แฟรงค์ คริสโตเฟอร์ ฮอว์ธอร์น ( 8 มกราคม1946 )บริสตอลประเทศอังกฤษ |
| อัลมา มัธยฐาน | อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนมหาวิทยาลัยแมคมาสเตอร์ |
| รางวัล | เหรียญรางวัลโรบลิงแห่งเครื่องราชอิสริยาภรณ์แคนาดา(ปี 2013) |
| เส้นทางอาชีพด้านวิทยาศาสตร์ | |
| ฟิลด์ | แร่ธาตุวิทยาและผลึกศาสตร์ |
| สถาบันต่างๆ | มหาวิทยาลัยแมนิโทบา |
| เว็บไซต์ | แฟรงค์ฮอว์ธอร์น.com |
แฟรงค์ คริสโตเฟอร์ ฮอว์ธอร์นCC FRSC (เกิด 8 มกราคม 1946) เป็นนักแร่วิทยา นักผลึกศาสตร์และนักสเปกโตรส โคปีชาวแคนาดาที่เกิดในอังกฤษ เขาทำงานที่มหาวิทยาลัยแมนิโทบาและปัจจุบันดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์เกียรติคุณ โดยการผสมผสานทฤษฎีกราฟทฤษฎีพันธะวาเลนซ์[ 1 ]และวิธีการโมเมนต์ในความหนาแน่นพลังงานอิเล็กตรอนของของแข็ง[ 2 ]เขาได้พัฒนาโทโพโลยีพันธะ[ 3 ] [ 4 ]เป็นวิธีการที่เข้มงวดในการทำความเข้าใจการจัดเรียงอะตอม องค์ประกอบทางเคมี และพาราเจเนซิสของแร่ออกไซด์และออกซีซอลต์ที่ซับซ้อน
การศึกษาอย่างเป็นทางการ
แฟรงค์ ซี. ฮอว์ธอร์น เกิดที่บริสตอลประเทศอังกฤษ เมื่อวันที่ 8 มกราคม 1946 โดยมีมารดาชื่อ ออเดรย์ แพทริเซีย (นามสกุลเดิม ไมล์ส) และบิดาชื่อ แฟรงค์ ฮอว์ธอร์น เขาเข้าเรียนที่โรงเรียนประถมเบกบรูค (ปัจจุบันคือโรงเรียนประถมเบกบรูค) และโรงเรียนประถม บิชอปโรด ในบริสตอล ในปี 1956 เขาได้ย้ายไปอยู่ที่เมเดนเฮดเบิร์กเชอร์และเข้าเรียนที่โรงเรียนเมเดนเฮดเคาน์ตีบอยส์ (ต่อมาคือโรงเรียนมัธยมเมเดนเฮด ปัจจุบันคือวิทยาลัยเดสโบโรห์) ซึ่งเขามุ่งเน้นการเรียนวิชาคณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และภูมิศาสตร์ เล่นรักบี้ ฮอกกี้ คริกเก็ต และกรีฑา เขาหลงใหลในภูมิศาสตร์กายภาพ และเมื่ออายุ 15 ปี เขาตัดสินใจที่จะเป็นนักธรณีวิทยา เขาเล่นรักบี้ให้กับสโมสรเทมส์แวลลีย์ (ต่อมาคือเมเดนเฮด) และเล่นคริกเก็ตให้กับหมู่บ้านคุกแฮมดีน ตั้งแต่ปลายปี 1962 เป็นต้นมา เขาได้สัมผัสกับดนตรีร็อกแอนด์โรลยุคแรกของอังกฤษตามผับและคลับต่างๆ รอบนอกกรุงลอนดอน และกลายเป็นผู้ชื่นชอบดนตรีประเภทนี้ไปตลอดชีวิต ในปี 1964 เขาเข้าเรียนที่อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนเพื่อศึกษาธรณีวิทยาบริสุทธิ์ เล่นรักบี้ ฮอกกี้ และคริกเก็ต และดื่มเบียร์บ้างเป็นครั้งคราว เขาเริ่มสนใจธรณีวิทยาหินแข็ง และงานวิทยานิพนธ์ปริญญาตรีของเขา ซึ่งเป็นการใช้เวลา 3 เดือนบนเกาะเอลบาในทะเลเมดิเตอร์เรเนียนทำให้เขามั่นใจว่านี่เป็นทางเลือกอาชีพที่ดี เขาสำเร็จการศึกษาในปี 1968 และไปศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยแมคมาสเตอร์ในแฮมิลตัน รัฐออ นแทรีโอเพื่อทำปริญญาเอกภายใต้การดูแลของนักผลึกศาสตร์ เอช. ดักลาส กรันดี ดักลาส กรันดีให้แอมฟิโบลแก่เขาเพื่อ "ศึกษา" และการศึกษานี้ได้พัฒนาไปเป็นวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาเกี่ยวกับเคมีของผลึกแอมฟิโบล มหาวิทยาลัย McMaster มีสถาบันวิจัยวัสดุ[ 5 ]ซึ่งตั้งอยู่ในอาคารวิทยาศาสตร์อาวุโสร่วมกับภาควิชาธรณีวิทยา เคมี และฟิสิกส์ ทุกคนดื่มกาแฟและรับประทานอาหารกลางวันด้วยกันในบรรยากาศที่กระตุ้นความรู้ทางวิทยาศาสตร์สำหรับนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา ทุกสาขาวิชาผสมผสานกันและพูดคุยเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ทุกวัน สถาบันแห่งนี้เปิดโอกาสให้ Hawthorne ได้ใช้งานจริงในการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของผลึก เดี่ยว การเลี้ยวเบนของนิวตรอนของผลึกเดี่ยว สเปกโทร ส โกปีอินฟราเรดและสเปกโทรสโกปี Mössbauerรวมถึงการทำความรู้จักกับนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาได้พบกับนักฟิสิกส์ I. David Brown [ 6 ]และนักเคมี RD Shannon [ 7 ] (ซึ่งลาพักงานจากDuPont ) ในขณะที่พวกเขากำลังพัฒนาทฤษฎีพันธะวาเลนซ์[ 8 ]ทฤษฎีนี้มีบทบาทสำคัญในงานเขียนของฮอว์ธอร์น และเขากลายเป็นเพื่อนสนิทกับบราวน์และแชนนอนตลอดชีวิต
อาชีพและการศึกษานอกระบบ
แฟรงค์ ฮอว์ธอร์น สำเร็จการศึกษาปริญญาเอกในปี 1973 และได้เข้ารับตำแหน่งหลังปริญญาเอกกับศาสตราจารย์โรเบิร์ต บี. เฟอร์กูสัน ในภาควิชาวิทยาศาสตร์ธรณีวิทยาที่มหาวิทยาลัยแมนิโทบาในวินนิเพกประเทศแคนาดา นี่เป็นอีกก้าวสำคัญในการพัฒนาของเขา เนื่องจากทำให้เขาได้สัมผัสกับแร่ธาตุหลากหลายชนิดจากเพกมาไทต์แกรนิติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านอิทธิพลของ ปี เตอร์ เชอร์นี และเขาทำงานเกี่ยวกับแร่ธาตุ เพกมาไทต์หลากหลายชนิดกับเชอร์นีและเฟอร์กูสัน โดยเดินทางกลับไปยังสถาบันวิจัยวัสดุศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแมคมาสเตอร์หลายครั้งต่อปีเพื่อเก็บข้อมูลเอกซเรย์ผลึกเดี่ยว (โดยไม่เสียค่าใช้จ่าย) เมื่อสิ้นสุดการเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอก เขาได้เป็นผู้ช่วยวิจัย ทำหน้าที่ใช้งานไมโครโพรบอิเล็กตรอนและบรรยายให้กับคณาจารย์ท่านอื่นเมื่อพวกเขาลาพักร้อน หลังจากใช้ชีวิตอย่างไม่มั่นคงเช่นนี้เป็นเวลาเจ็ดปี เขาได้รับทุนวิจัยของมหาวิทยาลัย[ 9 ]ในปี 1980 ซึ่งเป็นปีแรกของโครงการนั้น รัฐบาลกลางตระหนักว่ามีตำแหน่งงานทางวิชาการไม่มากนักในช่วงทศวรรษ 1970 จึงได้ริเริ่มโครงการ URF โดยผู้รับทุนจะได้รับเงินเดือนและทุนวิจัยจำนวนเล็กน้อยเพื่อทำหน้าที่เป็นอาจารย์ (บรรยายและทำการวิจัย) เป็นเวลา 5 ปี หากเมื่อสิ้นสุดระยะเวลานี้ ผู้รับทุน URF ได้รับการว่าจ้างเป็นอาจารย์ประจำโดยมหาวิทยาลัย รัฐบาลกลางจะจ่ายเงินเดือนให้บางส่วนในอีก 5 ปีข้างหน้า ในปี 1983 แฟรงค์ ฮอว์ธอร์นได้รับทุนสนับสนุนอุปกรณ์สำคัญจากสภาวิจัยวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมแห่งแคนาดาสำหรับเครื่องวัดการเลี้ยวเบนของผลึกเดี่ยว และเริ่มสร้างห้องปฏิบัติการและมีนักศึกษาปริญญาโท ในช่วงเวลานี้ ฮอว์ธอร์นได้สร้างความสัมพันธ์กับพิพิธภัณฑ์รอยัลออนแทรีโอในฐานะแหล่งที่มาของผลึกสำหรับแร่ธาตุที่มีโครงสร้างที่ไม่ทราบแน่ชัด และได้เดินทางไปกับเจ้าหน้าที่ (เฟรด เจ. วิกส์[ 10 ]และเทอร์รี ออตตาเวย์) [ 11 ]ไปยังงานแสดงอัญมณีและแร่ธาตุทูซอนซึ่งเขาได้ติดต่อกับนักสะสมและผู้ค้าแร่ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นแหล่งที่มาหลักของผลึกสำหรับงานทดลองของเขา ในปี 1983 เขาได้รับเชิญให้บรรยายที่มหาวิทยาลัยปาเวียนี่เป็นจุดเริ่มต้นของความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญในอาชีพของเขากับ ดร. โรเบอร์ตา โอเบอร์ติ ( it ) [ 12 ]ลูเซียโน อุนกาเร็ตติ[ 13 ]และจูเซปปี รอสซี[ 14 ]ในเรื่องเคมีผลึกของแอมฟิโบล และเขาใช้เวลาประมาณ 4 ปีในอิตาลีทำงานร่วมกับพวกเขาในเรื่องเคมีผลึก และกับจานคาร์โล เดลลา เวนตูรา[ 15 ]ในกรุงโรมในเรื่องลำดับระยะสั้นในแอมฟิโบล ในปี 1985 เขาไปที่เขาใช้เวลา 2 เดือนอยู่ ที่มหาวิทยาลัยชิคาโกเพื่อทำงานร่วมกับJoseph V. Smith [ 16 ]ในเรื่องโทโพโลยีของโครงข่ายสามมิติที่เชื่อมต่อสี่จุด ที่นั่นเขาได้พบกับนักเคมีเชิงทฤษฎีJeremy Burdettซึ่งแนะนำเขาให้รู้จักกับแนวทางโมเมนต์ในการคำนวณความหนาแน่นของพลังงานอิเล็กตรอนของของแข็ง แนวทางนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแนวคิดของ Hawthorne เกี่ยวกับโครงสร้าง เนื่องจากเป็นการเชื่อมโยงโทโพโลยีของพันธะเคมีกับพลังงานของผลึกที่เป็นส่วนประกอบ
ในปี พ.ศ. 2544 เขาได้รับรางวัล Canada Research Chairระดับ Tier I ซึ่งช่วยลดภาระการสอนนักศึกษาระดับปริญญาตรีของเขาลง และทำให้เขาสามารถดึงดูดนักผลึกศาสตร์อีกคนหนึ่งคือ Elena Sokolova [ 17 ]เข้ามาทำงานในภาควิชา โดยเริ่มจากตำแหน่งผู้ช่วยวิจัย และต่อมาเป็นศาสตราจารย์วิจัย Sokolova มีอิทธิพลอย่างมากต่อแนวคิดของเขาเกี่ยวกับโครงสร้างผลึก และยังแนะนำเขาให้รู้จักกับชุมชนผลึกศาสตร์-แร่ธาตุวิทยาในรัสเซียอีกด้วย เขาได้รับเงินทุนจากรัฐบาลกลางของแคนาดาเพื่อพัฒนาห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ ซึ่งประกอบด้วยเครื่องเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์หลายเครื่อง เครื่องสเปก โทรสโก ปีอินฟราเรดแบบโพ ลาไรซ์ และสเปกโทรสโก ปีรามาน เครื่องสเปกโทร สโกปีมอสส์บาวเออร์แบบปริมาณมากและแบบปริมาณน้อยเครื่องไมโครโพรบอิเล็กตรอนและไมโคร-SIMS สำหรับสเปกโทรเมตรีมวลไอออนรองและได้จัดตั้งกลุ่มความร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์ท้องถิ่นคนอื่นๆ เพื่อให้เขาและนักศึกษาของเขาสามารถเข้าถึงนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ แบบหมุนมุม วิเศษกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ซึ่งทั้งหมดนี้ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการวิเคราะห์ลักษณะของแร่ธาตุและกระบวนการทางธรณีเคมี
งานทางวิทยาศาสตร์
โดยทั่วไปแล้ววิทยาแร่เป็นวิทยาศาสตร์เชิงสังเกต นักวิทยาแร่จะอธิบายแร่ชนิดใหม่ วัดขอบเขตความเสถียรของแร่ที่รู้จักโดยสัมพันธ์กับตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์ที่ซับซ้อน แก้และปรับปรุงโครงสร้างผลึก และพยายามพัฒนารูปแบบการจัดระเบียบความรู้เชิงประจักษ์ และนำรูปแบบเหล่านี้ไปประยุกต์ใช้กับปัญหาในวิทยาศาสตร์โลกและสิ่งแวดล้อม แร่ส่วนใหญ่เป็นวัตถุที่ซับซ้อน (ในความหมายกว้าง) ทั้งในแง่ของโครงสร้างและองค์ประกอบทางเคมี ในอีกด้านหนึ่ง สิ่งนี้ทำให้การทำความเข้าใจเชิงทฤษฎีเชิงปริมาณเกี่ยวกับปัจจัยที่ควบคุมโครงสร้าง องค์ประกอบทางเคมี และการเกิดขึ้นของแร่เป็นเรื่องยากหรือเป็นไปไม่ได้เลยด้วยวิธีการทางทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับในฟิสิกส์และเคมีในทางกลับกัน ยิ่งแร่มีความซับซ้อนมากขึ้น เช่น เวเบลไนต์: KNa(H O) [(Fe +5Fe +4Mn +6Ca )(OH) (Nb O {Si O } (Si O ) )O ], [ 18 ] ก็ยิ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับต้นกำเนิดและคุณสมบัติของมันมากขึ้น จุดมุ่งหมายหลักของงานของฮอว์ธ อร์นคือการสร้างพื้นฐานทางทฤษฎีของแนวทางที่เข้มงวดมากขึ้นในการศึกษาแร่รูปแบบการเชื่อมโยงของพันธะเคมีในอวกาศมีข้อมูลพลังงานที่สำคัญซึ่งอาจนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ได้ โทโพโลยีของพันธะรวมเอาแง่มุมของทฤษฎีกราฟทฤษฎีพันธะวาเลนซ์[ 1 ]และแนวทางโมเมนต์ต่อความหนาแน่นของสถานะพลังงานอิเล็กตรอน[ 2 ]เพื่อตีความแง่มุมทางโทโพโลยีของโครงสร้างผลึก และอนุญาตให้พิจารณาประเด็นต่างๆ มากมายเกี่ยวกับโครงสร้างผลึก องค์ประกอบแร่ และพฤติกรรมของแร่ที่วิธีการที่กำหนดไว้ไม่สามารถกล่าวถึงได้
งานเชิงทฤษฎี
โครงสร้างพันธะเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับวิทยาแร่ธาตุ
โดยใช้ทฤษฎีกราฟลักษณะทางโทโพโลยีของเครือข่ายพันธะสามารถแสดงได้เป็นไดกราฟ สีแบบถ่วงน้ำหนัก ของโพลีเฮดราการประสานงานและการเชื่อมต่อของพวกมัน องค์ประกอบของเมทริกซ์ประชิดของกราฟนี้ก่อให้เกิดกลุ่มการเรียงสับเปลี่ยนซึ่งเป็นกลุ่มย่อยของกลุ่มสมมาตร SN (โดยที่ N คือจำนวนองค์ประกอบนอกแนวทแยงที่ไม่ซ้ำกันของเมทริกซ์ประชิด) และสามารถใช้ทฤษฎีบทการนับ (เช่นทฤษฎีบทการแจงนับของ Pólya ) เพื่อแจงนับเซตขอบทั้งหมด (การเชื่อมโยงระหว่างโพลีเฮดรา) ที่แตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้สามารถนับการจัดเรียงเฉพาะที่ที่แตกต่างกันทั้งหมดของโพลีเฮดราการประสานงานได้[ 19 ] [ 20 ]แนวทางนี้ช่วยให้สามารถแจงนับการจัดเรียงเฉพาะที่ที่เป็นไปได้ทางโทโพโลยีทั้งหมดสำหรับเซตเฉพาะของโพลีเฮดราการประสานงาน การจัดเรียงอนันต์ที่มีสมมาตรการแปลสามารถแสดงได้ด้วยกราฟจำกัดผ่านการห่อหุ้มและขยายวิธีการนี้ไปยังผลึก[ 21 ] งานของ Jeremy Burdett ผู้ล่วงลับแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของพลังงานอิเล็กตรอนของสถานะสามารถหาได้โดยใช้วิธีโมเมนต์และความแตกต่างของพลังงานระหว่างโครงสร้างสองโครงสร้างขึ้นอยู่กับโมเมนต์ที่แตกต่างกันไม่กี่ตัวแรกของความหนาแน่นของพลังงานของสถานะ ตามลำดับเป็นหลัก [ 22 ]ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปต่อไปนี้: (1) โมเมนต์ลำดับศูนย์กำหนดองค์ประกอบทางเคมี (2) โมเมนต์ลำดับที่สองกำหนดเลขการประสานงาน (3) โมเมนต์ลำดับที่สี่และหกกำหนดการเชื่อมต่อเฉพาะที่ของโพลีเฮดราการประสานงาน และ (4) โมเมนต์ที่สูงกว่ากำหนดการเชื่อมต่อระยะกลางและระยะไกล[ 4 ]การใช้แนวทางโมเมนต์ อาจแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงการประสานงานของแอนไอออนในปฏิกิริยาเคมีมีความสัมพันธ์เชิงปริมาณกับเอนทาลปีการก่อตัวของสารตั้งต้นที่ลดลงจากเฟสผลิตภัณฑ์สำหรับปฏิกิริยาแร่ธาตุอย่างง่ายบางอย่าง[ 3 ]และการเปลี่ยนแปลงในโทโพโลยีของพันธะมีความสัมพันธ์กับเอนทาลปีการก่อตัวที่ลดลงสำหรับเฟสไฮเดรตอย่างง่ายบางอย่าง[ 23 ]
ปฏิกิริยาเคมีในแร่ธาตุ
โดยใช้แนวทางโมเมนต์ (ดูข้างต้น) ปฏิกิริยาเคมีในแร่ธาตุอาจแบ่งออกเป็นสองประเภท: [ 4 ] (1) ปฏิกิริยาต่อเนื่องซึ่งโครงสร้างพันธะถูกอนุรักษ์ไว้ และ (2) ปฏิกิริยาไม่ต่อเนื่องซึ่งโครงสร้างพันธะไม่ถูกอนุรักษ์ไว้ (1) สำหรับปฏิกิริยาต่อเนื่องการขยายตัวทางความร้อนและการบีบอัดแบบยืดหยุ่นจะต้องมาพร้อมกับการแทนที่ธาตุที่รักษาความเข้ากันได้ระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ของโครงสร้าง ดังนั้นจึงสามารถกำหนดการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันจากมุมมองอะตอมได้ งานทดลองอย่างกว้างขวาง[ 24 ]แสดงให้เห็นว่าลำดับระยะสั้นมีอยู่ทั่วไปในแอมฟิโบลและกำหนดเส้นทางเคมีที่แร่ธาตุเหล่านี้ตอบสนองต่ออุณหภูมิและความดันที่เปลี่ยนแปลง การพัฒนาทางทฤษฎีที่รองรับพฤติกรรมนี้บ่งชี้ว่าควรนำไปใช้กับแร่ธาตุแอนิโซเดสมิกอื่นๆ ทั้งหมด[ 25 ] (2) แร่ธาตุที่โครงสร้างพันธะไม่ถูกอนุรักษ์ไว้ในปฏิกิริยาเคมีเป็นส่วนใหญ่ของชนิดแร่ธาตุ แต่มีปริมาณน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม แร่ธาตุเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นแร่ธาตุส่วนใหญ่ที่มีความสำคัญต่อสิ่งแวดล้อม เกณฑ์ที่ควบคุมองค์ประกอบทางเคมีและความเสถียรของแร่ธาตุเหล่านี้ในระดับอะตอมอาจได้มาจากกฎผลรวมวาเลนซ์และหลักการจับคู่วาเลนซ์ และความซับซ้อนส่วนใหญ่นี้สามารถทำนายได้ค่อนข้างดีในเชิงปริมาณ[ 26 ]และสปีชีส์ในสารละลายในน้ำก็ปฏิบัติตามกฎผลรวมวาเลนซ์เช่นกัน และความเป็นเบสของลูอิสจะแปรผันตามค่า pH ของสารละลายที่ความเข้มข้นสูงสุดของสปีชีส์ในสารละลาย[ 27 ]สปีชีส์ที่ซับซ้อนในสารละลายในน้ำนั้นก่อตัวเป็นหน่วยพื้นฐานของแร่ธาตุที่ตกผลึก ดังนั้นโครงสร้างจึงเก็บรักษาบันทึกค่า pH ของสารละลายที่พวกมันตกผลึกไว้
ลำดับชั้นโครงสร้าง
ลำดับชั้นทางคณิตศาสตร์คือชุดขององค์ประกอบที่เรียงลำดับ โดยลำดับนั้นสะท้อนถึงความสัมพันธ์เชิงลำดับชั้นตามธรรมชาติระหว่างองค์ประกอบ สมมติฐานลำดับชั้นของโครงสร้างระบุว่าโครงสร้างอาจถูกจัดเรียงตามลำดับชั้นตามการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโพลีเฮดราเชิงประสานที่มีวาเลนซ์พันธะสูงกว่า[ 20 ]ลำดับชั้นของโครงสร้างมีหน้าที่สองประการ: (1) ทำหน้าที่จัดระเบียบความรู้เกี่ยวกับแร่ธาตุ (โครงสร้างผลึก) ในลักษณะที่สอดคล้องกัน และด้วยวิธีนี้จึงเกี่ยวข้องกับการจำแนกโครงสร้างดั้งเดิมของWilliam Lawrence Bragg [ 28 ]และNikolai Belov [ 29 ] (2) หากพื้นฐานของการจำแนกเกี่ยวข้องกับปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับรายละเอียดเชิงกลไกของความเสถียรและพฤติกรรมของแร่ธาตุ คุณลักษณะทางกายภาพ เคมี และพาราเจเนติกของแร่ธาตุควรเกิดขึ้นเป็นผลตามธรรมชาติของโครงสร้างผลึกและการปฏิสัมพันธ์ของโครงสร้างเหล่านั้นกับสิ่งแวดล้อมที่เกิดขึ้น สมมติฐานลำดับชั้นของโครงสร้างอาจได้รับการพิสูจน์โดยการพิจารณากระบวนการสร้างโครงสร้างสมมติฐานที่โพลีเฮดราที่มีพันธะวาเลนซ์สูงกว่าจะเกิดพอลิเมอไรเซชันเพื่อสร้างหน่วยโครงสร้าง กระบวนการสร้างโครงสร้างสมมติฐานนี้คล้ายกับแนวคิดของเราเกี่ยวกับการตกผลึกจากสารละลายในน้ำ โดยที่สารประกอบเชิงซ้อนในสารละลายในน้ำและสารละลายไฮโดรเทอร์มอลจะควบแน่นเพื่อสร้างโครงสร้างผลึก[ 27 ]หรือชิ้นส่วนของโพลีเฮดราที่เชื่อมต่อกันในแมกมาจะควบแน่นเพื่อสร้างผลึก แม้ว่าความรู้ของเราเกี่ยวกับกระบวนการเหล่านี้จะค่อนข้างคลุมเครือจากมุมมองเชิงกลไก แต่พื้นฐานของสมมติฐานโครงสร้างทำให้เรามีกรอบในการคิดเกี่ยวกับกระบวนการตกผลึกและการละลาย[ 30 ]ลำดับชั้นของโครงสร้างได้รับการพัฒนาสำหรับตระกูลแร่หลายตระกูล เช่น โบเรต[ 31 ]ยูเรนิลออกไซด์และออกซีซอลต์[ 32 ]ฟอสเฟต[ 33 ]ซัลเฟต[ 34 ]อาร์เซเนต[ 35 ]และแร่ Cu, Pb และ Hg ที่มีศูนย์กลางเป็นออกไซด์[ 36 ]
งานทดลอง
บทบาทของไฮโดรเจนในโครงสร้างผลึก
ไฮโดรเจนเคยถูกมองว่าเป็นองค์ประกอบที่ไม่สำคัญนักในแร่ธาตุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ในรูปของ "น้ำไฮเดรชั่น" มุมมองนี้ได้เปลี่ยนไปแล้ว: ลักษณะขั้วของไฮโดรเจนควบคุมมิติของการเกิดพอลิเมอไรเซชันของออกซิแอนไอออนที่ยึดเหนี่ยวกันอย่างแน่นหนาในโครงสร้างผลึก[ 37 ]ทำให้เกิดโครงสร้างแบบคลัสเตอร์ โซ่ แผ่น และโครงร่าง แร่ธาตุที่ก่อตัวขึ้นในแกนกลาง เนื้อโลก และเปลือกโลกชั้นลึกไม่ได้รวมไฮโดรเจนไว้มากนัก และไฮโดรเจนยังมีขั้วน้อยลงมากที่ความดันสูงเนื่องจากการสมมาตรของพันธะผู้ให้และผู้รับ และโดยทั่วไปแร่ธาตุจะตกผลึกเป็นโครงร่าง แร่ธาตุที่ก่อตัวขึ้นในเปลือกโลกชั้นตื้นหรือที่พื้นผิวโลกมีโครงสร้างแบบคลัสเตอร์ โซ่ แผ่น และโครงร่างเพื่อตอบสนองต่อไฮโดรเจนที่เป็นองค์ประกอบ
ความเป็นระเบียบและความไม่เป็นระเบียบในระยะสั้นของแร่ธาตุที่ประกอบเป็นหิน
ลำดับระยะยาว (LRO) อธิบายถึงแนวโน้มที่อะตอมจะเรียงตัวกันที่ตำแหน่งเฉพาะในโครงสร้าง โดยเฉลี่ยทั่วทั้งผลึก ลำดับระยะสั้น (SRO) คือแนวโน้มที่อะตอมจะรวมกลุ่มกันในระดับท้องถิ่นในรูปแบบที่ไม่สอดคล้องกับการกระจายแบบสุ่ม ทฤษฎีค่าพันธะในระดับท้องถิ่น (เช่น ไม่ใช่แนวทางสนามเฉลี่ย) สามารถใช้เพื่อทำนายรูปแบบของ SRO ได้[ 38 ]สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด (IR) ในบริเวณการยืด OH พื้นฐานมีความไวต่อทั้ง LRO และ SRO ของสปีชีส์ที่เชื่อมต่อกับ OH และสามารถรวมการปรับแต่งโครงสร้าง Rietveld และสเปกโทรสโกปี IR เพื่อหาแบบแผนของ SRO ได้[ 39 ]ดังนั้น H จึงสามารถทำหน้าที่เป็นตัวตรวจสอบ SRO ในระดับท้องถิ่นในแร่ธาตุที่ซับซ้อนหลายชนิดที่ก่อตัวเป็นหินได้[ 25 ]
ธาตุลิโทฟิลเบาในแร่ที่ก่อตัวเป็นหิน
ธาตุลิโทฟิลเบา (LLEs) อาจเป็นองค์ประกอบแปรผันที่สำคัญในกลุ่มแร่ที่ก่อตัวเป็นหินหลายกลุ่ม ซึ่งเคยคิดว่าปราศจาก LLEs หรือมีปริมาณองค์ประกอบเหล่านี้คงที่ตามสัดส่วนทางเคมี การตรวจสอบอย่างเป็นระบบของปัญหาทางเคมีของผลึกประเภทนี้โดยใช้การผสมผสานระหว่าง SREF (Site-occupancy REFinement), SIMS (Secondary-Ion Mass Spectrometry) และ HLE (Hydrogen-Line Extraction) แสดงให้เห็นว่าไม่ใช่เช่นนั้น[ 40 ]สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือบทบาทของ Li, Ti และ H ในแอมฟิโบล[ 41 ] Li และ H ในสเตาโรไลต์[ 42 ]และ Li ในทัวร์มาลีน[ 43 ]งานนี้ส่งผลให้มีความเข้าใจที่ดีขึ้นมากเกี่ยวกับเคมีของผลึกของแร่เหล่านี้ และความเป็นไปได้สำหรับแบบจำลองกิจกรรมที่สมจริงยิ่งขึ้นสำหรับการบำบัดทางอุณหพลศาสตร์ของพวกมัน
เคมีผลึกของแร่ในกลุ่มแอมฟิโบล
ในปี พ.ศ. 2530 ฮอว์ธอร์นเริ่มทำงานร่วมกับโรเบอร์ตา โอเบอร์ติ ลูเซียโน อุนกาเร็ตติ และจูเซปเป รอสซี ในเมืองปาเวีย โดยใช้การปรับแต่งโครงสร้างผลึกขนาดใหญ่และการวิเคราะห์ไมโครโพรบอิเล็กตรอนของแอมฟิโบลเพื่อแก้ปัญหาทางเคมีของผลึกหลายประการ เช่น[ 44 ]งานนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อความเข้าใจโครงสร้าง องค์ประกอบทางเคมี และการเกิดขึ้นของแอมฟิโบล[ 45 ]และส่งผลให้มีการจำแนกและการตั้งชื่อที่ครอบคลุมมากขึ้นสำหรับแร่เหล่านี้[ 46 ]
เคมีผลึกของแร่ในกลุ่มทัวร์มาลีน
แร่ทัวร์มาลีนมีความซับซ้อนเทียบเท่ากับแอมฟิโบล และถูกละเลยมาโดยตลอดจนกระทั่งเมื่อ 25 ปีก่อนฮอว์ธอร์นและนักศึกษาของเขาเริ่มทำการศึกษาทางเคมีของผลึกแร่เหล่านี้ และระบุกลุ่มย่อยใหม่ของแร่ทัวร์มาลีนได้อย่างรวดเร็ว[ 47 ]แสดงให้เห็นว่าทัวร์มาลีนมีรูปแบบการเรียงตัวของแคตไอออนที่ซับซ้อนกว่าที่เคยคิดไว้[ 48 ]และแผนการจัดประเภทใหม่สำหรับแร่กลุ่มทัวร์มาลีนได้รับการอนุมัติจากสมาคมแร่ธาตุระหว่างประเทศ[ 49 ]นับตั้งแต่นั้นมามีการศึกษาเกี่ยวกับทัวร์มาลีนเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้มันกลายเป็นแร่ที่มีประโยชน์ทางด้านปิโต รเจเนติกส์
คำอธิบายเกี่ยวกับแร่ธาตุใหม่
การทำงานอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับเคมีผลึกของแร่ที่ก่อตัวเป็นหินนำไปสู่การค้นพบการแทนที่ทางเคมีหลายประเภทที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน เช่น[ 50 ]ความสนใจหลักเกี่ยวกับแร่เสริมคือโอกาสในการตรวจสอบโครงสร้างผลึกใหม่ที่เกี่ยวข้องกับองค์กรลำดับชั้นของการจัดเรียงโครงสร้างโดยทั่วไป บ่อยครั้งที่การทำงานนี้นำไปสู่การค้นพบที่น่าสนใจบางอย่างโดยบังเอิญ เช่น การค้นพบไทโอซัลเฟตในซิดเพียเตอร์ไซต์[ 51 ]และกลุ่ม [C -Hg ] ในไมเคโคไซต์[ 52 ]ฮอว์ธอร์นมีส่วนร่วมในการค้นพบแร่ชนิดใหม่ 180 ชนิด
เกียรตินิยม
- Frankhawthorneiteได้รับการตั้งชื่อตามเขา[ 53 ]
- พ.ศ. 2521 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ของสมาคมแร่ธาตุวิทยาแห่งอเมริกา[ 54 ]
- ได้รับรางวัลเหรียญฮอว์ลีย์จากสมาคมแร่ธาตุวิทยาแห่งแคนาดาในปี 1984 [ 55 ]
- ในปี 1985 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ของสมาคมธรณีวิทยาแห่งแคนาดา
- พ.ศ. 2533 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกราชสมาคมแห่งแคนาดา[ 56 ]
- ได้รับรางวัล เหรียญ WW Hutchisonจากสมาคมธรณีวิทยาแห่งแคนาดาในปี 1991 [ 57 ]
- 1991, awarded a Killam Fellowship by the Canada Council[58]
- 1993, awarded the Willet G. Miller Medal of the Royal Society of Canada[59]
- 1994, awarded the Hawley Medal of the Mineralogical Association of Canada[60]
- 1995, awarded the Schlumberger Medal of the Mineralogical Society of Great Britain and Northern Ireland[61]
- 1996, awarded the Logan Medal, the highest honour of the Geological Association of Canada[62]
- 1997, Rh Institute Foundation Award for Excellence in Research
- 1997, appointed Distinguished Professor of the University of Manitoba[63]
- 1998, awarded the Hawley Medal of the Mineralogical Association of Canada[64]
- 1999, awarded the Peacock Medal of the Mineralogical Association of Canada[65]
- 2001, awarded a Tier I Canada Research Chair in Crystallography and Mineralogy[66]
- 2001, listed by Science Watch as the most highly cited Mineralogist/Crystallographer for 1990–2000[67]
- 2005, appointed an Officer of the Order of Canada[68]
- 2006, elected Foreign Fellow of the Russian Academy of Sciences
- 2007, listed by Science Watch as the most highly cited Geoscientist in the world for the decade 1996–2007[69]
- 2007, elected Fellow of the Geochemical Society[70]
- 2007, elected Fellow of the European Association of Geochemistry[71]
- 2008, awarded the Killam Prize in Natural Sciences by the Canada Council[72]
- 2009, awarded the IMA Medal of the International Mineralogical Association[73]
- 2009, awarded the Carnegie Medal by the Carnegie Museum of Natural History[74]
- 2010, awarded the Bancroft Medal of the Royal Society of Canada[75]
- 2012, awarded the Queen's Diamond Jubilee Medal[76]
- 2013, awarded the Roebling Medal of the Mineralogical Society of America[77]
- 2015, elected Life Fellow of the Royal Society of Canada
- 2015 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ของสมาคมธรณีวิทยาแห่งอเมริกา[ 78 ]
- ในปี 2015 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ของสมาคมแร่ธาตุวิทยาแห่งรัสเซีย
- 2016 ได้รับเลือกให้เป็น Fellow กิตติมศักดิ์ของ Società Italiana di Mineralogia e Petrologia [ 79 ]
- 2016 วารสาร Canadian Mineralogist ฉบับพิเศษตีพิมพ์เพื่อเป็นเกียรติแก่ผลงานของ Frank Hawthorne [ 80 ]
- ในปี 2017 ได้รับรางวัลเหรียญเฟอร์สแมนจากพิพิธภัณฑ์แร่ธาตุเฟอร์สแมนแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์รัสเซีย
- 2018 ได้รับการแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์เกียรติคุณมหาวิทยาลัยแมนิโทบา[ 63 ]
- 2018 ได้รับรางวัลเหรียญ Buerger จากสมาคมคริสตัลโลกราฟีแห่งอเมริกา[ 81 ]
- 2018 ได้รับการแต่งตั้งเป็นสมาชิกชั้นคอมพาเนียนแห่งเครื่องราชอิสริยาภรณ์แคนาดา[ 68 ]
- 2020 ได้รับเลือกเข้าสู่Academia Europaea [ 82 ]
- 2021 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ของสมาคมคริสตัลโลกราฟีอเมริกัน[ 83 ]
บรรณานุกรม
บทความวารสาร
- Hawthorne, Frank C. (มกราคม 1981). "เคมีผลึกของแอมฟิโบล" . Reviews in Mineralogy and Geochemistry . 9A : 1– 102. S2CID 129882165 .
- Hawthorne, Frank C. (1 กันยายน 1983). "การนับคลัสเตอร์ทรงหลายเหลี่ยมด้วยกราฟ" . Acta Crystallographica Section A: Foundations of Crystallography . 39 (5): 724– 736. Bibcode : 1983AcCrA..39..724H . doi : 10.1107/S0108767383001452 . ISSN 0108-7673 .
- Hawthorne, Frank C. (พฤษภาคม 1983). "เคมีผลึกของแอมฟิโบล" . นักแร่วิทยาชาวแคนาดา . 21 (2): 173– 480.
- เบิร์นส์, ปีเตอร์ ซี.; ไกรซ์, โจเอล ดี. [ในภาษาเยอรมัน] ; ฮอว์ธอร์น, แฟรงค์ ซี. (มกราคม 1995). "แร่บอเรต. I. กลุ่มโพลีเฮดรัลและหน่วยโครงสร้างพื้นฐาน" (PDF) . นักแร่วิทยาชาวแคนาดา . 33 : 1131– 1151. S2CID 132696304.เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อวันที่ 4 มีนาคม 2016.
- เบิร์นส์, ปีเตอร์ ซี.; ยูวิง, ร็อดนีย์ ซี. ; ฮอว์ธอร์น, แฟรงค์ ซี. (1997). "เคมีผลึกของยูเรเนียมหกวาเลนต์: รูปทรงเรขาคณิตของทรงหลายเหลี่ยม พารามิเตอร์พันธะวาเลนซ์ และการเกิดพอลิเมอไรเซชันของทรงหลายเหลี่ยม" (PDF)วารสารแร่ธาตุวิทยาของแคนาดา35 : 1551– 1570. S2CID 20224412.เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อวันที่ 4 มีนาคม 2016
- Hawthorne, Frank C.; Oberti, Roberta [ในภาษาอิตาลี] (ตุลาคม 2550). "การจำแนกประเภทของแอมฟิโบล". บทวิจารณ์ในแร่ธาตุและธรณีเคมี 67 ( 1): 55– 88. Bibcode : 2007RvMG...67...55H . doi : 10.2138/rmg.2007.67.2 . S2CID 129587005 .
- Hawthorne, Frank C. (2012). "แนวทางเชิงพันธะ-โทโพโลยีสู่ทฤษฎีแร่ธาตุ: โครงสร้างผลึก องค์ประกอบทางเคมี และปฏิกิริยาทางเคมี" . ฟิสิกส์และเคมีของแร่ธาตุ . 39 (10): 841– 874. Bibcode : 2012PCM....39..841H . doi : 10.1007/s00269-012-0538-4 . ISSN 0342-1791 . S2CID 97959636 .
- Hawthorne, FC (2014). "สมมติฐานลำดับชั้นโครงสร้าง" . Mineralogical Magazine . 78 (4): 957– 1027. Bibcode : 2014MinM...78..957H . doi : 10.1180/minmag.2014.078.4.13 . ISSN 0026-461X . S2CID 101776945 .
- Hawthorne, FC (1 เมษายน 2558). "มุ่งสู่แร่ธาตุวิทยาเชิงทฤษฎี: แนวทางเชิงพันธะและโทโพโลยี" . American Mineralogist . 100 (4): 696– 713. Bibcode : 2015AmMin.100..696H . doi : 10.2138/am-2015-5114 . ISSN 0003-004X . S2CID 98836563 .
- Day, Maxwell Christopher; Hawthorne, Frank Christopher (1 พฤษภาคม 2022). "โทโพโลยีพันธะของซิลิเกตแบบโซ่ ริบบอน และท่อ ตอนที่ 1 การสร้างการจัดเรียงหนึ่งมิติอนันต์ของ (TO 4)n−เตตระเฮดราด้วยทฤษฎีกราฟ" Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances . 78 (3): 212– 233. doi : 10.1107/S2053273322001747 . ISSN 2053-2733 . PMC 9062827 . PMID 35502713 .
หนังสือ
- Frank C. Hawthorne; Roberta Oberti [ในภาษาอิตาลี] ; Giancarlo Della Ventura; Annibale Mottana, บรรณาธิการ (2007). แอมฟิโบล: เคมีของผลึก การเกิดขึ้น และปัญหาสุขภาพสมาคมแร่ธาตุวิทยาแห่งอเมริกาISBN 9780939950799. OCLC 176897672 .
- FC Hawthorne, บรรณาธิการ (2006). เอกสารสำคัญ: โครงสร้างโทโพโลยี . ลอนดอน: สมาคมแร่ธาตุแห่งบริเตนใหญ่และไอร์แลนด์. ISBN 0-903056-23-2. OCLC 191821912 .
- แฟรงค์ ซี. ฮอว์ธอร์น, บรรณาธิการ (1988). วิธีการทางสเปกโทรสโกปีในแร่ธาตุวิทยาและธรณีวิทยา . วอชิงตัน ดี.ซี.: สมาคมแร่ธาตุวิทยาแห่งอเมริกา. ISBN 0-939950-22-7. OCLC 17967077 .