Forskere observerer reaktionen af ​​silikatglas med vandige opløsninger i realtid

Silikatglas har mange anvendelsesmuligheder, herunder anvendelse som atomaffaldsform til at immobilisere radioaktive grundstoffer fra brugt brændsel. Imidlertid, det har én ulempe - det korroderer, når det kommer i kontakt med vandige opløsninger. Forskere ved universitetet i Bonn var i stand til i detaljer at observere, hvilke processer der finder sted. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

Mineralogerne og geokemikerne ved universitetet i Bonn brugte konfokal Raman-spektroskopi til deres undersøgelse, hvor en laserstråle fokuseres på en prøve gennem et mikroskop. Lyset interagerer med molekylerne i materialet, får dem til at vibrere. Individuelt tilbagespredte fotoner ændrer deres farve afhængigt af prøvens struktur og kemiske egenskaber. Dette fænomen er kendt som Raman-effekten. Det oprindeligt monokromatiske lys indeholder nu også andre farvekomponenter. Farvespektret giver detaljeret indblik i strukturen og sammensætningen af ​​det stof, der exciteres af laserstrålen.

Især laseren kan fokuseres til et bestemt punkt i rummet med en nøjagtighed på et par tusindedele af en millimeter. Dette gør det lettere at studere prøven punkt for punkt, men ikke kun på overfladen:Hvis prøven er gennemsigtig, strålen kan også fokuseres på indre områder. "Og det var præcis, hvad vi gjorde, " forklarer prof. dr. Thorsten Geisler-Wierwille fra Institut for Geovidenskab og Meteorologi ved universitetet i Bonn.

Opal lag ved glasoverfladen

Forskerne brugte et lille stykke silikatglas som en prøve, der reagerede med en vandig opløsning i en specialudviklet varmebeholder. Det var muligt at flytte fartøjet i trin på en tusindedel af en millimeter under Raman-mikroskopet - til højre, venstre, frem, og tilbage, men også op og ned. "Vi scannede glasset punkt for punkt og optog et Raman-spektrum, mens det reagerede med opløsningen, siger Lars Dohmen, som i øjeblikket afslutter sin doktorgrad under vejledning af Geisler-Wierwille. "Dette gjorde det muligt for os at undersøge reaktionen næsten i realtid. Dette fungerer i øjeblikket ved temperaturer på op til 150 grader, hvilken, for eksempel, forventes også i et nukleart depot."

Resultaterne indikerer, at silikatglas hurtigt opløses, når det kommer i kontakt med vandige opløsninger - næsten som en sukkerterning i en kop kaffe. Imidlertid, mens sukkermolekylerne hurtigt fordeles jævnt i vandet ved diffusion, dette er ikke tilfældet under glaskorrosion:En del af den resulterende opløste silica ser ud til at forblive tæt på glassets overflade. På et tidspunkt, dens koncentration bliver så høj, at den størkner.

"Vi taler da også om silicaudfældning, " forklarer prof. Geisler-Wierwille. "Silicamolekyler i opløsningen forbinder hinanden for at danne aggregater, der kun er få milliontedele millimeter i størrelse, som aflejres på glasoverfladen og modnes til en opallignende tilstand." forskerne kunne påvise, at dette opallag ikke yder perfekt beskyttelse mod vand. I stedet, opløsnings-fældningsfronten fortsætter med at æde sig ind i glasset. Som resultat, glasset erstattes gradvist af opal, dog med aftagende hastighed. "For første gang, vi har eksperimentelt påvist, at der dannes en grænseopløsning med opløst silica mellem det opale lag og det underliggende glas, " forklarer Geisler-Wierwille. "Når tykkelsen af ​​opallaget øges, det forhindrer i stigende grad silicaopløsningen i at blive transporteret væk fra reaktionsgrænsefladen. "Vi har mistanke om, at det til sidst geler til en tyktflydende masse, hvilket dramatisk bremser glasopløsningen."

I undersøgelsen, dette var allerede tilfældet efter 25 tusindedele af en millimeter. "Selvom reaktionen blev meget langsom, det kan ikke udelukkes, at denne korrosionsproces vil frigive radioaktive grundstoffer over længere tid, " understreger Geisler-Wierwille. glas, der bruges til forglasning af atomaffald, er langt mere stabile over for vand end det undersøgte glas. "Vi ønsker at udvide vores eksperimenter til disse glastyper i den nærmeste fremtid, " understreger forskeren. Der er også planlagt undersøgelser med silikatglas, hvori radioaktive grundstoffer allerede er inkorporeret. Forskerne og deres partnere ønsker at undersøge, hvilken indflydelse selvbestrålingsskader i glasset har på dets korrosionsbestandighed. "Det nuværende arbejde skal hovedsageligt bevise at vores nye metode kan give vidtrækkende indsigt i disse processer, siger Geisler-Wierwille.

Interessen fra industrien for dette arbejde afspejles også i finansieringen af ​​pilotprojektet:En af sponsorerne for undersøgelsen er den anerkendte glasproducent Schott AG.