АРГОНН, Иллинойс (18 февраля 2005 г.) - Исследователи из Университета Нотр-Дам и Аргоннской национальной лаборатории обнаружили новый класс материалов, которые могут улучшить базовое понимание того, как радиоактивные материалы ведут себя в окружающей среде.. Эти материалы, называемые актинилпероксидными соединениями, самособираются в наноразмерные полые клетки, которые могут обладать новыми полезными электронными, магнитными и структурными свойствами, важными для развивающегося мира нанотехнологий.
Новые материалы осаждаются из растворов пероксидов урана и нептуния при комнатной температуре. Они состоят из групп из 24, 28 или 32 одинаковых многогранников, соединенных в кластеры диаметром около двух нанометров - миллиардных долей метра.
Исследователи обнаружили материалы в ходе своей работы в Институте молекулярной науки окружающей среды (EMSI). Аргонн и Нотр-Дам являются партнерами в этом совместном институте Министерства энергетики и Национального научного фонда, который финансируется для изучения фундаментальной науки о молекулярных взаимодействиях, связанных с переносом ядерных материалов в окружающей среде.
Ученые изучают химию актинидов - радиоактивных элементов, составляющих нижний ряд Периодической таблицы. «Поскольку нет исторических примеров, - сказала химик Линда Содерхольм, - существует огромный пробел в понимании, поэтому мы исследуем практически любую ситуацию, которая, по нашему мнению, может быть обнаружена в природе, связанную с взаимодействием ядерных материалов с окружающей средой. Содерхольм - старший научный сотрудник и руководитель научной группы по химии и разделению тяжелых элементов в аргоннском химическом отделе.
Эти актинилпероксидные наносферы могут образовываться в щелочных смесях ядерных отходов, таких как резервуары для высокоактивных ядерных отходов, обнаруженные в Хэнфорде, штат Вашингтон, согласно исследователям. Девять ядерных реакторов Хэнфорда производили плутоний в течение четырех десятилетий, оставив более 50 миллионов галлонов высокоактивных жидких отходов в 177 резервуарах для хранения и миллиарды галлонов загрязненных грунтовых вод.
«Никто никогда не видел ничего подобного», - сказал Питер Бернс, заведующий кафедрой гражданского строительства и геологических наук Нотр-Дама. «Эти очень маленькие наноагрегаты актинидов в растворе могут играть важную роль в переносе актинидов в окружающей среде».
Наночастицы считаются важными для экологических систем, поскольку они часто образуются при низких температурах, могут влиять на перенос тяжелых металлов и радионуклидов в геологических жидкостях и настолько малы, что их свойства могут меняться в зависимости от их размера.
Когда материалы создаются из частиц размером всего в несколько молекул и измеряются миллиардными долями метра, они обладают улучшенными свойствами по сравнению с материалами, созданными из массы.
«Оглядываясь назад, - сказал Содерхольм, - я думаю, что этот материал уже видели раньше, но структуры настолько сложны, что для их расшифровки потребовалось правильное сочетание оборудования для дифракции рентгеновских лучей и опыта».
«В статьях, опубликованных в 1960-х годах, - сказал Бернс, - российские ученые, работающие с этими химическими системами, описали кристаллы, которые могли быть этими материалами. У них были кристаллы с похожими цветами и формами. одни и те же материалы, но невозможно было начать анализ кристаллических структур такой сложности в 1960-х или даже в начале 1990-х годов.
«Эти вещи находятся в необычном диапазоне размеров, - сказал Бернс, - что дает возможность понять четко определенные наносферы. Кластеры существуют в растворе и выстраиваются в молекулярные кристаллы так же, как атомы превращаются в молекулы».
«Они не растворяются, - сказал он, - в обычном смысле того, что мы думаем о катионе, окруженном водой, но они недостаточно велики, чтобы быть твердым во взвешенном состоянии. диапазон."
Ученые предположили, что кластеры образуются спонтанно в растворе путем самосборки. «Мы использовали усовершенствованный источник фотонов в Аргонне, чтобы исследовать раствор и убедиться, что кластеры существуют в виде сформированных наносфер в растворе», - сказал Содерхольм. Усовершенствованный источник фотонов - самый блестящий источник рентгеновского излучения в этом полушарии. «Теперь мы хотим взглянуть на электронные свойства материала и посмотреть, будут ли какие-либо интересные взаимодействия внутри кластеров.
«Поскольку материалы образуются в растворе, - сказала она, - легче изучать их каталитические свойства».
"Мы хотим знать все", сказал Бернс. «Как они собираются, стабильны ли они в растворе, какие внешние факторы будут их модифицировать, образуются ли они рядом с ядерными отходами, и если да, то как далеко они могут быть перенесены в окружающей среде?»
Химики планируют сосредоточиться на аспекте самосборки этих материалов. Воспроизводимые, самособирающиеся наноструктуры - настоящий «Святой Грааль» в мире нанотехнологий. Когда их можно будет производить, промышленность надеется использовать их в качестве катализаторов, компьютерных чипов, солнечных элементов, гибких аккумуляторов и устройств хранения данных.
«Это семейство самособирающихся структур, - сказал Содерхольм, - позволит по-новому взглянуть на влияние наномасштаба на электронные, магнитные и структурные свойства и должно дать новые материалы».
Исследования урановых структур начались в Нотр-Даме, но были перенесены в Аргонн, потому что в химическом отделе есть горячие лаборатории, позволяющие безопасно проводить исследования нептуния.
Назначенный докторант и несколько аспирантов и студентов играют ключевую роль в продолжающемся исследовании. «Мы обучаем следующее поколение химиков-экологов и геологов», - сказал Содерхольм.
"Это действительно захватывающе, - сказал Бернс, - видеть, как студенты ловят исследовательскую ошибку".
Исследование будет опубликовано в марте этого года в Angewandte Chemie International.