2019-03-01 00:32:01
实时观察硅酸盐玻璃与水溶液的反应

硅酸盐玻璃具有许多应用,包括用作核废料形式以固定来自乏燃料的放射性元素。然而,它有一个缺点 - 当它与水溶液接触时会腐蚀。波恩大学的科学家能够详细观察发生的过程。结果现已发表在Nature Materials杂志上。

波恩大学的矿物学家和地球化学家使用共聚焦拉曼光谱进行研究,其中激光束通过显微镜聚焦在样品上。光与材料中的分子相互作用,使它们振动。单独反向散射的光子根据样品的结构和化学性质改变其颜色。这种现象称为拉曼效应。原来的单色光现在还包含其他颜色成分。色谱提供了激光束激发的物质结构和组成的详细见解。

值得注意的是,激光可以聚焦到空间中的特定点,精度为千分之几毫米。这有助于逐点研究样品,但不仅仅是在其表面上:如果样品是透明的,那么光束也可以聚焦到内部区域。 “这正是我们所做的,”波恩大学地球科学与气象研究所的Thorsten Geisler-Wierwille教授解释道。

玻璃表面的蛋白石层

研究人员使用一小块硅酸盐玻璃作为样品,在专门开发的加热容器中与水溶液反应。可以在拉曼显微镜下以千分之一毫米的步幅移动容器,向右,向左,向前和向后移动,也可以向上和向下移动。 “我们逐点扫描玻璃并记录拉曼光谱,同时它与溶液反应,”Lars Dohmen说,他目前正在Geisler-Wierwille的监督下完成博士学位。 “这使得我们几乎可以实时研究这种反应。目前这种反应可以在高达150度的温度下进行,例如,在核储存库中也是如此。”

结果表明硅酸盐玻璃在与水溶液接触时迅速溶解 - 几乎像一杯咖啡中的糖块。然而,虽然糖分子通过扩散在水中快速均匀分布,但在玻璃腐蚀过程中并非如此:部分所得溶解的二氧化硅似乎保留在玻璃表面附近。在某些时候,它的浓度变得如此之高以至于凝固。

“我们当时也谈到二氧化硅沉淀,”Geisler-Wierwille教授解释道。 “溶液中的二氧化硅分子相互连接形成聚集体,其尺寸仅为百万分之几毫米,沉积在玻璃表面并成熟为蛋白石状态。”然而,研究人员能够证明这种蛋白石层不能提供完美的防水保护。相反,溶解 - 沉淀前沿继续进入玻璃。结果,尽管速度降低,但玻璃逐渐被蛋白石取代。 “我们第一次通过实验证明,在蛋白石层和下面的玻璃之间形成了溶解二氧化硅的边界解决方案,”Geisler-Wierwille解释道。 “随着蛋白石层厚度的增加,它越来越多地阻止二氧化硅溶液从反应界面转移出来。”我们怀疑它最终凝胶化为粘性物质,这会大大减缓玻璃溶解。“

在这项研究中,这已经是25千分之一毫米之后的情况。 “即使反应变得非常缓慢,也不能排除这种腐蚀过程会在很长一段时间内释放出放射性元素,”Geisler-Wierwille强调说。然而,用于核废料玻璃化的玻璃比研究的玻璃更耐水。 “我们希望在不久的将来将我们的实验扩展到这些玻璃类型,”研究人员强调说。还计划研究其中已经掺入放射性元素的硅酸盐玻璃。研究人员及其合作伙伴希望研究玻璃中自辐射损伤对其耐腐蚀性的影响。 “目前的工作应该主要证明我们的新方法可以为这些过程提供深远的见解,”Geisler-Wierwille说。

行业在这项工作中表现出的兴趣水平也反映在试点项目的融资中:该研究的赞助商之一是着名的玻璃制造商Schott AG。

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