นาโนธรณีวิทยา คือการศึกษาปรากฏการณ์ระดับนาโนที่เกี่ยวข้องกับระบบทางธรณีวิทยา โดยส่วนใหญ่จะศึกษาอนุภาคนาโน ในสิ่งแวดล้อม ที่มีขนาดระหว่าง 1–100 นาโนเมตร สาขาการศึกษาอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ การศึกษาวัสดุที่มีอย่างน้อยหนึ่งมิติจำกัดอยู่ในระดับนาโน (เช่น ฟิล์มบาง ของเหลวที่ถูกจำกัด) และการถ่ายโอนพลังงาน อิเล็กตรอน โปรตอน และสสารข้ามส่วนต่อประสานของสิ่งแวดล้อม

เนื่องจากฝุ่นละอองเข้าสู่ชั้นบรรยากาศมากขึ้นอันเป็นผลมาจากกิจกรรมของมนุษย์ (ทั้งผลกระทบโดยตรง เช่น การถางป่าและการกลายเป็นทะเลทราย และผลกระทบทางอ้อม เช่น ภาวะโลกร้อน) จึงยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นที่จะต้องทำความเข้าใจผลกระทบของฝุ่นละอองแร่ธาตุต่อองค์ประกอบของก๊าซในชั้นบรรยากาศ สภาวะ การก่อตัวของเมฆ และ แรงผลักดันการแผ่รังสีเฉลี่ยทั่วโลก(เช่น ผลกระทบด้านความร้อนหรือความเย็น)

โดยทั่วไป นักสมุทรศาสตร์ศึกษาอนุภาคที่มีขนาด 0.2 ไมโครเมตรขึ้นไป ซึ่งหมายความว่าอนุภาคขนาดนาโนจำนวนมากไม่ได้ถูกตรวจสอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวข้องกับกลไกการก่อตัว

นาโนวิทยาการน้ำ-หิน-แบคทีเรีย

แม้ว่าวิทยาศาสตร์ด้าน การผุพังของหิน ดิน และปฏิสัมพันธ์ระหว่างน้ำกับหินจะยังไม่พัฒนาไปมากนัก แต่เกือบทุกแง่มุม (ทั้งทางธรณีวิทยาและชีวภาพ) ล้วนเชื่อมโยงกับนาโนวิทยาอย่างแยกไม่ออก ในบริเวณใกล้พื้นผิวโลก วัสดุที่แตกสลายและวัสดุที่เกิดขึ้นใหม่ มักอยู่ในระดับนาโนสเกล นอกจากนี้ เมื่อโมเลกุลอินทรีย์ทั้งแบบง่ายและซับซ้อน รวมถึงแบคทีเรียและพืชและสัตว์ทั้งหมดในดินและหินมีปฏิสัมพันธ์กับองค์ประกอบแร่ธาตุที่มีอยู่ มิติระดับนาโนและกระบวนการระดับนาโนจึงเป็นเรื่องปกติ

นาโนวิทยาการขนส่งโลหะ

บนบก นักวิจัยศึกษาว่าแร่ธาตุขนาดนาโนดักจับสารพิษ เช่น สารหนู ทองแดง และตะกั่ว จากดินได้อย่างไร การทำให้กระบวนการนี้ ซึ่งเรียกว่าการฟื้นฟูดิน เป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั้น เป็นเรื่องที่ซับซ้อน

นาโนธรณีวิทยายังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา ทิศทางในอนาคตของนาโนวิทยาในสาขาธรณีวิทยาจะรวมถึงการระบุเอกลักษณ์ การกระจายตัว และคุณสมบัติทางเคมีที่ผิดปกติของอนุภาคและ/หรือฟิล์มขนาดนาโนในมหาสมุทร บนทวีป และในชั้นบรรยากาศ ตลอดจนวิธีที่พวกมันขับเคลื่อนกระบวนการของโลกในรูปแบบที่ไม่คาดคิด นอกจากนี้ นาโนเทคโนโลยีจะเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาระบบตรวจวัดโลกและสิ่งแวดล้อมรุ่นต่อไป

นาโนธรณีวิทยาเกี่ยวข้องกับโครงสร้าง คุณสมบัติ และพฤติกรรมของอนุภาคนาโนในดิน ระบบน้ำ และชั้นบรรยากาศ หนึ่งในคุณสมบัติสำคัญของอนุภาคนาโนคือความเสถียรและปฏิกิริยาของอนุภาคนาโนขึ้นอยู่กับขนาด^{[ 1 ]}ซึ่งเกิดจากพื้นที่ผิวจำเพาะ ขนาดใหญ่ และความแตกต่างในโครงสร้างอะตอมของพื้นผิวของอนุภาคนาโนที่ขนาดอนุภาคเล็ก โดยทั่วไปพลังงานอิสระของอนุภาคนาโนจะแปรผกผันกับขนาดอนุภาค สำหรับวัสดุที่สามารถมีโครงสร้างได้สองโครงสร้างขึ้นไป พลังงานอิสระที่ขึ้นอยู่กับขนาดอาจส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเสถียรของเฟสที่ขนาดบางขนาด^{[ 2 ]}การลดลงของพลังงานอิสระจะกระตุ้นการเติบโตของผลึก (ทีละอะตอมหรือโดยการยึดติดแบบมีทิศทาง^{[ 3 ] [ 4 ]} ) ซึ่งอาจกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงเฟสอีกครั้งเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเสถียรของเฟสสัมพัทธ์ที่ขนาดเพิ่มขึ้น กระบวนการเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อปฏิกิริยาของพื้นผิวและการเคลื่อนที่ของอนุภาคนาโนในระบบธรรมชาติ

ปรากฏการณ์ที่ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคนาโนซึ่งเป็นที่รู้จักกันดี ได้แก่:

• การกลับทิศทางของเสถียรภาพเฟสของอนุภาคขนาดใหญ่ (ระดับมหภาค) ที่ขนาดเล็ก โดยปกติแล้ว เฟสขนาดใหญ่ที่ไม่เสถียรที่อุณหภูมิต่ำ (และ/หรือความดันต่ำ) จะเสถียรมากขึ้นกว่าเฟสขนาดใหญ่ที่เสถียรเมื่อขนาดอนุภาคลดลงต่ำกว่าขนาดวิกฤตที่กำหนด ตัวอย่างเช่นอะนาเทส (TiO2 ₎ ขนาดใหญ่ จะไม่เสถียรเมื่อเทียบกับรูไทล์ (TiO2 ₎ ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม ในอากาศ อะนาเทสจะเสถียรมากกว่ารูไทล์ที่ขนาดอนุภาคต่ำกว่า 14 นาโนเมตร^{[ 5 ]}ในทำนองเดียวกัน ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1293 K เวิร์ตไซต์ (ZnS) จะเสถียรน้อยกว่าสฟาเลอไรต์ (ZnS) ในสภาวะสุญญากาศ เวิร์ตไซต์จะมีเสถียรภาพมากกว่าสฟาเลอไรต์เมื่อขนาดอนุภาคน้อยกว่า 7 นาโนเมตรที่อุณหภูมิ 300 K ^{[ 6 ]}ที่ขนาดอนุภาคเล็กมาก การเติมน้ำลงบนพื้นผิวของอนุภาคนาโน ZnS สามารถกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของอนุภาคนาโนได้^{[ 7 ]}และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวสามารถขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบย้อนกลับได้เมื่อเกิดการรวมตัว/การแยกตัว^{[ 8 ]} ตัวอย่างอื่นๆ ของความเสถียรของเฟสที่ขึ้นอยู่กับขนาด ได้แก่ ระบบของ Al ₂ O ₃ , ^{[ 9 ]} ZrO ₂ , ^{[ 10 ]} C, CdS, BaTiO ₃ , Fe ₂ O ₃ , Cr ₂ O ₃ , Mn ₂ O ₃ , Nb ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃และ Au-Sb
• จลนศาสตร์การเปลี่ยนแปลงเฟสขึ้นอยู่กับขนาด และการเปลี่ยนแปลงมักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ (น้อยกว่าหลายร้อยองศา) ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว อัตราการเกิดนิวเคลียสที่พื้นผิวและการเกิดนิวเคลียสในเนื้อวัสดุจะต่ำเนื่องจากพลังงานกระตุ้นสูง ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงเฟสจึงเกิดขึ้นโดยส่วนใหญ่ผ่านการเกิดนิวเคลียสที่ส่วนต่อประสาน^{[ 11 ]}ซึ่งขึ้นอยู่กับการสัมผัสระหว่างอนุภาคนาโน ผลที่ตามมาคือ อัตราการเปลี่ยนแปลง ขึ้นอยู่กับ จำนวนอนุภาค (ขนาด) และจะเกิดขึ้นได้เร็วกว่าในอนุภาคนาโนที่บรรจุแน่น (หรือรวมตัวกันสูง) มากกว่าในอนุภาคนาโนที่บรรจุหลวมๆ^{[ 12 ]}การเปลี่ยนแปลงเฟสที่ซับซ้อนและการรวมตัวของอนุภาคที่เกิดขึ้นพร้อมกันมักเกิดขึ้นในอนุภาคนาโน^{[ 13 ]}
• การดูดซับที่ขึ้นอยู่กับขนาดบนอนุภาคนาโน^{[ 14 ] [ 15 ]}และการออกซิเดชันของแร่นาโน^{[ 16 ]}

คุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับขนาดเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของขนาดอนุภาคต่อเสถียรภาพและการเกิดปฏิกิริยาของนาโนอนุภาค

• สารบัญของฉบับพิเศษว่าด้วยธรณีวิทยาระดับนาโน ( นิตยสาร Elements )

กลุ่มวิจัยด้านนาโนธรณีวิทยา:

• กลุ่มนาโนธรณีวิทยาเบิร์กลีย์
• มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย-เบิร์กลีย์
• เวอร์จิเนียเทค
• มหาวิทยาลัยฟลอริดา
• มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน–แมดิสัน
• มหาวิทยาลัยมินนิโซตา
• มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน
• มหาวิทยาลัยเวียนนา