砷是一种危害非常严重的有毒元素，在全球众多地方造成环境和健康影响。砷矿物的溶解和沉淀控制着砷在环境中的活动性，研究常见砷矿物溶解和沉淀的相关热力学和动力学，对定量理解砷在环境中的迁移和转化规律具有重要意义。钙砷酸盐矿物在环境中普遍存在，是一种重要的固砷矿物，在碳酸盐岩发育的砷污染区经常和石膏（CaSO4·2H2O）同时出现。钙砷酸盐矿物的稳定性如何？石膏怎么影响钙砷酸盐矿物的结晶？这些问题的解答对砷污染治理和评价工作至关重要。
针对以上问题，界面和土壤圈演化中心滕辉教授团队利用原子力显微镜AFM从分子尺度精细研究了典型钙砷酸盐矿物毒石（CaHAsO4·2H2O）在石膏 (010)面的结晶生长过程，通过测量临界台阶长度和台阶移动速率，得到了毒石4个不同结晶方向的台阶能量和5个不同结晶方向的台阶移动速率动力学系数，并进一步利用台阶移动速率和过饱和度的关系推导出了毒石的溶度积，得到主要结论如下：
（1）石膏（010）面能有效降低毒石的成核能垒及诱导时间，对砷的固定具有促进作用。
（2）毒石在石膏表面的生长符合经典结晶理论，饱和度较高时首先形成二维晶核（图 1a），以晶核堆叠的方式进行生长；饱和度降低后环绕晶格缺陷（表面线位错）螺旋生长(图 1b, 图 2)。二维晶核以及螺旋生长丘的形貌同时受石膏和毒石矿物结构的控制。
（3）毒石（010）面的生长过程表现出高度的各向异性，[001]方向最稳定在形貌上表现最为突出，[100]方向和[101]方向主要受动力学控制，饱和度低时[100]方向生长较慢，形貌突出；饱和度高时[101]方向生长较慢，形貌突出。此外，通过台阶移动速率-饱和度曲线外推法可得到毒石（001）面上至少5个不同结晶方向的溶度积，这种热力学性质的各向异性通过传统的非原位溶解实验是不能得到的。
原子力显微镜在研究溶液-矿物界面过程中有着不可取代的作用，能够直观的研究矿物表面发生的微观（水平分辨率达到亚纳米级别，垂直分辨率率达到埃级）过程，更能从本质上解释相关过程的控制机理。
相关成果发表在地球科学领域国际著名刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》，第一作者为天津大学地科院朱翔宇副研究员，通讯作者为滕辉教授，合作者包括南京大学王汝成教授和陆现彩教授等。
该工作受国家科技部重点研发计划项目（No. 2019YFC1804402)）和国家自然科学基金（42272039, 41802032, 41830859）等联合资助。
具体论文信息及链接： Zhu, Xiangyu., Chang, Pei., Zhang, Jianchao., Wang, Yuebo., Li, Siliang., Lu, X., Wang, R., Liu, Cong-Qiang. and Teng, H.H. (2022) Kinetics and energetics of pharmacolite mineralization via the classic crystallization pathway. Geochim Cosmochim Ac 339, 70-79. https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.10.039
延伸阅读：Zhu, X., Nordstrom, D.K., McCleskey, R.B., Wang, R., Lu, X., Li, S. and Teng, H.H. (2019) On the thermodynamics and kinetics of scorodite dissolution. Geochim Cosmochim Ac 265, 468-477. https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.09.012
图1 a 毒石在石膏表面形成的2-D单分子层晶核（厚度7.7 Å）；b 毒石在石膏表面形成的3-D生长丘
图 2 纳米区域毒石3-D生长丘的原位实时观察，显示其为螺旋生长
