Imogolite and allophane are nanosized aluminosilicates with high value in industrial and technological applications, however it remains unclear what factors control their formation and abundance in nature and in the lab. This work investigated the complex system of physical and chemical conditions that influence the formation of these nanominerals. Samples were synthesized and analyzed by powder x-ray diffraction, in situ and ex situ small angle x-ray scattering, and high-resolution transmission electron microscopy. Multivariate regression analysis combined with linear combination fitting of pXRD patterns was used to model the influence of different synthesis conditions including concentration, hydrolysis ratio and rate, and Al:Si elemental ratio on the particle size of the initial precipitate and on the phase abundances of the final products. The developed models described how increasing Al:Si ratio, particle size, and hydrolysis ratio increased the proportion of imogolite produced, while increasing the concentration of starting reagents decreased the final proportion. The model confidences were >99%, and explained 86 to 98% of the data variance. It was determined from the models that hydrolysis ratio was the strongest control on the final phase composition. The models also were able to consistently predict experimentally derived results from other studies. These results demonstrated the ability to use this approach to understand complex geochemical systems with competing influences, as well as provided insight into the formation of imogolite and allophane. / Master of Science / Allophane and imogolite are nanosized aluminosilicate minerals and strongly control the physical and chemical behavior of soil. They hold promise for use in technological applications. In nature, allophane and imogolite are often observed together in varying proportions. Similarly, laboratory synthesis by various methods usually does not result in pure phases. These observations suggest they form at the same time, at a wide range of solution chemical conditions. It remains unclear what factors determine how and when these phases form in solution, which limits our understanding of their occurrence in nature and the laboratory. The objective of this study is to understand and explain what solution chemical and physical conditions control the formation of synthetic imogolite and allophane. We did this by utilizing a unique approach where we systematically varied starting conditions of formation of these particles, and then used analytic and statistical methods to develop a model that describes the relationship between each of the starting conditions – concentration, size, pH, atomic ratios, and hydrolysis ratios, and how those affect the phase abundance of the particles.

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Les Imogolites (OH)3Al2O3Si(OH) sont des minéraux naturels découverts en 1962 dans des sols volcaniques japonais qui présentent une structure analogue à celle des nanotubes de carbone. Leur synthèse, décrite depuis 1977, permet l'obtention de tubes bien calibrés et monodisperses. La récente mise en évidence de la possibilité de synthétiser des analogues au germanium en grande quantité en a fait un matériau de choix dans le cadre de mon sujet de thèse visant à préparer des matériaux mésoporeux à base de nanoparticules anisotropes. Lors de la caractérisation de ces imogolites par diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) et microscopie électronique en transmission (MET) et à force atomique (AFM), nous avons montré que ces analogues d'Imogolite sont bien des nanotubes, mais qu'ils existent sous deux formes : des tubes à paroi unique mais également des tubes à paroi double jamais observés à ce jour. La concentration importante utilisée pour cette synthèse a également permis de mieux définir l'espèce précurseur de ces nanotubes appelée proto-imogolite et mal connue jusqu'ici. Après une identification du paramètre déterminant la formation de l'une ou l'autre des structures, nous avons étudié en détail le mécanisme et la cinétique de croissance de ces imogolites. Enfin, des premiers tests sur l'organisation de ces nanotubes en forte concentration ou au sein de microgouttes permettent d'observer leur tendance à s'organiser, propriété prometteuse pour le développement futur d'applications.

abstract: Chemical and mineralogical data from Mars shows that the surface has been chemically weathered on local to regional scales. Chemical trends and the types of chemical weathering products present on the surface and their abundances can elucidate information about past aqueous processes. Thermal-infrared (TIR) data and their respective models are essential for interpreting Martian mineralogy and geologic history. However, previous studies have shown that chemical weathering and the precipitation of fine-grained secondary silicates can adversely affect the accuracy of TIR spectral models. Furthermore, spectral libraries used to identify minerals on the Martian surface lack some important weathering products, including poorly-crystalline aluminosilicates like allophane, thus eliminating their identification in TIR spectral models. It is essential to accurately interpret TIR spectral data from chemically weathered surfaces to understand the evolution of aqueous processes on Mars. Laboratory experiments were performed to improve interpretations of TIR data from weathered surfaces. To test the accuracy of deriving chemistry of weathered rocks from TIR spectroscopy, chemistry was derived from TIR models of weathered basalts from Baynton, Australia and compared to actual weathering rind chemistry. To determine how specific secondary silicates affect the TIR spectroscopy of weathered basalts, mixtures of basaltic minerals and small amounts of secondary silicates were modeled. Poorly-crystalline aluminosilicates were synthesized and their TIR spectra were added to spectral libraries. Regional Thermal Emission Spectrometer (TES) data were modeled using libraries containing these poorly-crystalline aluminosilicates to test for their presence on the Mars. Chemistry derived from models of weathered Baynton basalts is not accurate, but broad chemical weathering trends can be interpreted from the data. TIR models of mineral mixtures show that small amounts of crystalline and amorphous silicate weathering products (2.5-5 wt.%) can be detected in TIR models and can adversely affect modeled plagioclase abundances. Poorly-crystalline aluminosilicates are identified in Northern Acidalia, Solis Planum, and Meridiani. Previous studies have suggested that acid sulfate weathering was the dominant surface alteration process for the past 3.5 billion years; however, the identification of allophane indicates that alteration at near-neutral pH occurred on regional scales and that acid sulfate weathering is not the only weathering process on Mars. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Geological Sciences 2011

Cette étude vise à déterminer le transfert et la mobilité d'éléments traces métalliques (ETM), dans des sols de la Réunion destinés à l'épandage de déchets urbains. En plus des fortes teneurs naturelles en ETM, ces sols ont la particularité d'avoir une minéralogie très spécifique avec la présence en abondance de nanoparticules naturelles, communément appelés "imogolites" (nanotubes) et "allophanes" (nanosphères, ovoïdes, amorphe ?). Ces aluminosilicates structurés à courte distance sont susceptibles de piéger les ETM pouvant ainsi limiter leur mobilité et leur biodisponibilité. <br /><br />Dans un premier temps, une étude sur des composés synthétiques analogues aux aluminosilicates a permis d'approfondir nos connaissances sur la structure et les mécanismes de formation des imogolites et allophanes. La synthèse de nanotubes de type imogolite (Si-imogolite et Ge-imogolite) a pu être optimisée ouvrant ainsi les portes à de potentielles applications industrielles. Enfin, notre étude a permis de mettre en avant le rôle important des nanoparticules naturelles sur la dynamique du Ni dans un andosol de la Réunion. Ainsi, près de 80% du Ni est lié aux aluminosilicates structurés à courte distance.

La structure et la dynamique des molécules d'eau confinées dans des aluminosilicates de formes tubulaire (imogolite) et sphérique (allophane) ont été étudiées à l'échelle microscopique par la méthode de la dynamique moléculaire. Pour ce faire, des modèles structuraux de ces aluminosilicates ainsi que des modèles d'interactions ont été développés. La simulation de la dynamique vibrationnelle de l'imogolite fournit des résultats en accord avec ceux expérimentaux. Ainsi, certaines bandes des spectres infrarouge et Raman ont pu être attribuées. Les spectres Raman calculés pour ces structures montrent une bande située aux basses fréquences dont la position varie en fonction du diamètre du nanotube. Cette bande est attribuée à la vibration de respiration radiale de la structure. Les résultats des simulations sur les systèmes eau/imogolite montrent des caractères hydrophile et hydrophobe respectivement pour les surfaces interne et externe de l'imogolite. Par conséquent, les molécules d'eau proches de ces surfaces ont des comportements différents. Alors que les molécules d'eau entre les nanotubes se comportent de façon similaire aux molécules d'eau dans l'eau liquide, les caractéristiques structurales et dynamiques des molécules à l'intérieur de l'imogolite sont fortement influencées par la surface. Bien que la composition chimique de la surface interne de l'imogolite et de l'allophane soit similaire, une plus grande mobilité des molécules d'eau est constatée dans le cas de la structure sphérique traduisant des interactions eau/surface plus faibles que pour le système eau/imogolite.