Silikatglas har många applikationer, inklusive användning som kärnavfallsform för att immobilisera radioaktiva ämnen från använt bränsle. Dock, det har en nackdel - det korroderar när det kommer i kontakt med vattenlösningar. Forskare vid universitetet i Bonn kunde i detalj observera vilka processer som äger rum. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Naturmaterial .

Mineralogerna och geokemisterna vid universitetet i Bonn använde konfokal Raman-spektroskopi för sin studie, där en laserstråle fokuseras på ett prov genom ett mikroskop. Ljuset interagerar med molekylerna i materialet, får dem att vibrera. Individuellt bakåtspridda fotoner ändrar färg beroende på strukturen och de kemiska egenskaperna hos provet. Detta fenomen är känt som Raman-effekten. Det ursprungligen monokromatiska ljuset innehåller nu även andra färgkomponenter. Färgspektrumet ger detaljerade insikter om strukturen och sammansättningen av den materia som exciteras av laserstrålen.

I synnerhet, lasern kan fokuseras till en specifik punkt i rummet med en noggrannhet på några tusendels millimeter. Detta underlättar att studera provet punkt för punkt, men inte bara på dess yta:Om provet är transparent, strålen kan också fokuseras på inre områden. "Och det är precis vad vi gjorde, " förklarar Prof. Dr. Thorsten Geisler-Wierwille från Institutet för geovetenskap och meteorologi vid universitetet i Bonn.

Opalskikt på glasytan

Forskarna använde en liten bit silikatglas som prov som reagerade med en vattenlösning i ett specialutvecklat värmekärl. Det var möjligt att flytta kärlet i steg om en tusendels millimeter under Raman-mikroskopet – till höger, vänster, fram, och baklänges, men också upp och ner. "Vi skannade glaset punkt för punkt och spelade in ett Raman-spektrum medan det reagerade med lösningen, säger Lars Dohmen, som för närvarande avslutar sin doktorsexamen under ledning av Geisler-Wierwille. "Detta gjorde att vi kunde undersöka reaktionen nästan i realtid. Detta fungerar för närvarande vid temperaturer på upp till 150 grader, som, till exempel, förväntas också i ett kärnkraftsförvar."

Resultaten tyder på att silikatglas snabbt löser sig när det kommer i kontakt med vattenlösningar - nästan som en sockerbit i en kopp kaffe. Dock, medan sockermolekylerna snabbt fördelas jämnt i vattnet genom diffusion, detta är inte fallet under glaskorrosion:En del av den resulterande lösta kiseldioxiden verkar förbli nära glasets yta. Vid något tillfälle, dess koncentration blir så hög att den stelnar.

"Vi talar då också om kiseldioxidutfällning, " förklarar prof. Geisler-Wierwille. "Kiselmolekyler i lösningen länkar samman för att bilda aggregat som bara är några miljondelar av en millimeter i storlek, som avsätts på glasytan och mognar till ett opalliknande tillstånd." forskarna kunde visa att detta opalskikt inte ger perfekt skydd mot vatten. Istället, upplösnings-fällningsfronten fortsätter att äta sig in i glaset. Som ett resultat, glaset ersätts gradvis med opal, fastän med avtagande hastighet. "För första gången, vi har experimentellt visat att en gränslösning med löst kiseldioxid bildas mellan opalskiktet och det underliggande glaset, " förklarar Geisler-Wierwille. "När tjockleken på opalskiktet ökar, det förhindrar alltmer att kiseldioxidlösningen transporteras bort från reaktionsgränsytan. "Vi misstänker att det så småningom gelerar till en trögflytande massa, vilket dramatiskt bromsar glasupplösningen."

I studien, detta var fallet redan efter 25 tusendels millimeter. "Även om reaktionen blev väldigt långsam, det kan inte uteslutas att denna korrosionsprocess kommer att frigöra radioaktiva ämnen under långa tidsperioder, " betonar Geisler-Wierwille. glas som används för förglasning av kärnavfall är betydligt mer stabila mot vatten än det undersökta glaset. "Vi vill utöka våra experiment till dessa glastyper inom en snar framtid, " understryker forskaren. Studier med silikatglas där radioaktiva grundämnen redan är inkorporerade planeras också. Forskarna och deras samarbetspartners vill undersöka vilken inverkan självbestrålningsskador i glaset har på dess korrosionsbeständighet. "Det aktuella arbetet bör främst bevisa att vår nya metod kan ge långtgående insikter i dessa processer, säger Geisler-Wierwille.

Det intresse som industrin visar för detta arbete återspeglas också i finansieringen av pilotprojektet:En av sponsorerna till studien är den välrenommerade glastillverkaren Schott AG.