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 pudieron 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 espectroscopía confocal Raman para su estudio, en el que un rayo láser se enfoca en una muestra a través de un microscopio. La luz interactúa con las moléculas del material, haciéndolos vibrar. Los fotones retrodispersados ​​individualmente cambian de color según la estructura y las propiedades químicas de la muestra. Este fenómeno se conoce como efecto Raman. La luz originalmente monocromática ahora también contiene otros componentes de color. El espectro de colores proporciona información detallada sobre la estructura y composición de la materia que es excitada por el rayo láser.

Notablemente, el láser se puede enfocar a un punto específico en el espacio con una precisión de unas milésimas de milímetro. Esto facilita el estudio de la muestra punto por punto, pero no solo en su superficie:si la muestra es transparente, el haz también se puede enfocar en áreas internas. "Y eso es exactamente lo que hicimos, "explica el Prof. 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. Era posible mover el recipiente en pasos de una milésima de milímetro bajo el microscopio Raman, a la derecha, izquierda, hacia adelante, y al revés, pero también hacia arriba y hacia 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 de Geisler-Wierwille. "Esto nos permitió investigar la reacción casi en tiempo real. Esto actualmente funciona a temperaturas de hasta 150 grados, cuales, 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 terrón de azúcar en una taza de café. Sin embargo, mientras que las moléculas de azúcar se distribuyen rápidamente de manera uniforme en el agua por difusión, este no es el 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.

"Entonces 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 millonésimas de milímetro de tamaño, que se depositan en la superficie del vidrio y maduran en un estado similar al ópalo ". Sin embargo, los investigadores pudieron demostrar que esta capa de ópalo no proporciona una protección perfecta contra el agua. En lugar de, el frente de disolución-precipitación continúa devorando el vaso. Como resultado, el vidrio es reemplazado gradualmente 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." A medida que aumenta el grosor de la capa de ópalo, evita cada vez más que la solución de sílice se transporte lejos 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 volvió 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 desechos nucleares son mucho más estables frente al agua que el vidrio investigado. "Queremos ampliar nuestros experimentos a estos tipos de vidrio en un futuro próximo, “Destaca el investigador. También están previstos estudios con vidrio de silicato en el que ya están incorporados elementos radiactivos. Los investigadores y sus socios quieren investigar la influencia del daño por autoirradiación en el vidrio sobre su resistencia a la corrosión”. El trabajo actual debe probar principalmente que nuestro nuevo método puede proporcionar información de gran alcance sobre 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.