El vidrio de silicato tiene muchas aplicaciones, incluido el uso como forma de desecho nuclear para inmovilizar elementos radiactivos del combustible gastado. Sin embargo, tiene una desventaja: se corroe cuando entra en contacto con soluciones acuosas. Los científicos de la Universidad de Bonn estabancapaz de observar en detalle qué procesos tienen lugar. Los resultados ya se han publicado en la revista Materiales de la naturaleza .
Los mineralogistas y geoquímicos de la Universidad de Bonn utilizaron la llamada espectroscopía Raman confocal para su estudio, donde un rayo láser se enfoca en una muestra a través de un microscopio. La luz interactúa con las moléculas en el material, haciendo que vibrenLos fotones retrodispersados individualmente cambian de color según la estructura y las propiedades químicas de la muestra. Este fenómeno se conoce como el efecto Raman. La luz monocromática original ahora también contiene otros componentes de color. El espectro de color proporciona información detallada sobre la estructura y composicióndel asunto que es excitado por el rayo láser.
Lo que hace que este método sea aún más interesante: el láser puede enfocarse a un punto específico en el espacio con una precisión de unas pocas milésimas de milímetro. Esto facilita el estudio de la muestra punto por punto, pero no solo en su superficie: sila muestra es transparente, el haz también puede enfocarse en áreas internas. "Y eso es exactamente lo que hicimos", explica el profesor Dr. Thorsten Geisler-Wierwille del Instituto de Geociencias y Meteorología de la Universidad de Bonn.
capa de ópalo en la superficie del vidrio
Los investigadores utilizaron una pequeña pieza de vidrio de silicato como muestra que reaccionó con una solución acuosa en un recipiente de calentamiento especialmente desarrollado. Fue posible mover el recipiente en pasos de una milésima de milímetro bajo el microscopio Raman - alderecha, izquierda, adelante y atrás, pero también arriba y abajo. "Escaneamos el vidrio punto por punto y registramos un espectro Raman mientras reaccionaba con la solución", dice Lars Dohmen, quien actualmente está completando su doctorado bajo la supervisión deGeisler-Wierwille: "Esto nos permitió investigar la reacción casi en tiempo real. Actualmente funciona a temperaturas de hasta 150 grados, que, por ejemplo, también se esperan en un depósito nuclear".
Los resultados indican que el vidrio de silicato se disuelve rápidamente cuando entra en contacto con soluciones acuosas, casi como un cubo de azúcar en una taza de café. Sin embargo, aunque las moléculas de azúcar se distribuyen rápidamente de manera uniforme en el agua por difusión, esto no esel caso durante la corrosión del vidrio: parte de la sílice disuelta resultante parece permanecer cerca de la superficie del vidrio. En algún momento, su concentración se vuelve tan alta que se solidifica.
"También hablamos de precipitación de sílice", explica el profesor Geisler-Wierwille. "Las moléculas de sílice en la solución se entrelazan para formar agregados de solo unas pocas millonésimas de milímetro de tamaño, que se depositan en la superficie del vidrio y maduran en unestado similar al ópalo ". Sin embargo, los investigadores pudieron demostrar que esta capa de ópalo no proporciona una protección perfecta contra el agua. En cambio, el frente de disolución-precipitación continúa penetrando en el vidrio. Como resultado, el vidrio es gradualmentereemplazado por ópalo, aunque a una velocidad decreciente. "Por primera vez, hemos demostrado experimentalmente que se forma una solución límite con sílice disuelta entre la capa de ópalo y el vidrio subyacente", explica Geisler-Wierwille. "Como el grosor del ópaloaumenta la capa, evita cada vez más que la solución de sílice sea transportada fuera de la interfaz de reacción ". Sospechamos que eventualmente se gelifica a una masa viscosa, lo que ralentiza drásticamente la disolución del vidrio."
En el estudio, este ya era el caso después de 25 milésimas de milímetro. "Aunque la reacción se hizo muy lenta, no se puede descartar que este proceso de corrosión libere elementos radiactivos durante largos períodos de tiempo", enfatiza Geisler-Wierwille. Sin embargo, los vidrios utilizados para la vitrificación de residuos nucleares son mucho más estables frente al agua que el vidrio investigado. "Queremos extender nuestros experimentos a estos tipos de vidrio en un futuro cercano", enfatiza el investigador. Estudios con vidrio de silicato enlos elementos radiactivos que ya están incorporados también están planificados. Los investigadores y sus socios quieren investigar la influencia del daño de auto-irradiación en el vidrio sobre su resistencia a la corrosión. "El trabajo actual debería probar principalmente que nuestro nuevo método puede proporcionar información de largo alcanceen estos procesos ", dice Geisler-Wierwille.
El nivel de interés mostrado por la industria en este trabajo también se refleja en la financiación del proyecto piloto: uno de los patrocinadores del estudio es el reconocido fabricante de vidrio Schott AG.
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Materiales proporcionado por Universidad de Bonn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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