Leror kan svälla under tryck

Man har hittills trott att vatten kramas ur leror när trycket ökar men nu visar fysiker vid Umeå universitet tillsammans med en tysk forskargrupp att detta inte alltid är sant om det finns flytande vatten runt omkring. De nya rönen publiceras i tidskriften Angewandte Chemie.

Lermineraler är vanligt förekommande i naturen och ett av de viktigaste materialen inom konstruktions- och byggnadsindustri. Leror sväller när vatten tillsätts. Detta fenomen förklaras genom att leran är strukturerad i lager och att vattenmolekyler lägger sig i ett skikt mellan lagren. Den svällande egenskapen påverkar lerors användningsområden, till exempel kan materialet användas för att täppa till naturliga oljekällor då vattenfylld, hydrerad, lera inte släpper igenom olja.

Bergarter av lera bildas i naturen genom sedimentation. Trycket medför att leran pressas ihop och kompakteras i berggrunden. Vatten frigörs från hydrerade leror under tryck och gravitationskraft och därför har man trott att leror innehåller allt mindre vatten djupare ner i jorden.

Fysikforskare vid Umeå universitet tillsammans med ett tyskt forskarlag vänder nu på det begreppet och demonstrerar att strukturen hos vissa syntetiska leror i stället sväller under tryck om flytande vatten finns i systemet.

– Tidigare har vi upptäckt denna egenskap hos grafitoxid som också är ett material uppbyggt i lager på lager som suger upp vatten, men det är ett material framställt på laboratorium. Nu har vi alltså funnit samma beskaffenhet hos ett material som liknar en typ av lera som återfinns i naturen, säger Alexandr Talyzin, forskare vid institutionen för fysik och en av författarna till artikeln.

Naturliga leror är mycket svåra att studera på då de är mycket oregelbundna i sin struktur. Därför valde forskargruppen att utföra experimenten på ett särskilt syntetiskt lermaterial, Na- fluorohectorite. Den syntetiska leran är väl beskriven under normalt tryck och man vet att den sväller, hydreras, i tydliga steg när vatten tillsätts och förblir stabil i strukturen vid högt tryck.

Vid ett visst tryck kunde forskarna observera att avståndet mellan två lager hos det syntetiska lermaterialet stegvis ökade.

– Det ökade trycket medförde att vattenmolekyler sköts in mellan lagren. Vi förmodar att denna svällningseffekt finns även bland naturliga lermineraler.

Om så är fallet, skulle vattenrika leror kunna återfinnas oväntat djupt ner i jorden eller i havssediment. Det är också sannorlikt att när leror exponeras för olika vattenlösningar så kan de svälla och absorbera organiska molekyler under förhållanden då höga tryck råder och frigöra dem när trycket sjunker.

Det skulle kunna vara en pusselbit i de ler-relaterade teorier som finns kring livets uppkomst. Organiskt material måste vara mycket koncentrerat för att kunna ge upphov till något så oerhört komplicerat som liv.

Originalartikel:
Shujie You, Daniel Kunz, Matthias Stöter, Hussein Kalo, Bernd Putz, Prof. Josef Breu, Alexandr V. Talyzin: Pressure-Induced Water Insertion in Synthetic Clays. Angewandte Chemie. DOI: 10.1002/anie.201210060
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201210060/full

För mer information, kontakta gärna:
Alexandr V. Talyzin, institutionen för fysik vid Umeå universitet
Telefon: 090-786 63 20
E-post: alexandr.talyzin@physics.umu.se