O vidro de silicato tem muitas aplicações, incluindo o uso como forma de lixo nuclear para imobilizar elementos radioativos do combustível irradiado. Contudo, tem uma desvantagem - corrói quando entra em contato com soluções aquosas. Cientistas da Universidade de Bonn foram capazes de observar em detalhes quais processos ocorrem. Os resultados já foram publicados na revista Materiais da Natureza .

Os mineralogistas e geoquímicos da Universidade de Bonn usaram a espectroscopia Raman confocal para seu estudo, em que um feixe de laser é focalizado em uma amostra por meio de um microscópio. A luz interage com as moléculas do material, fazendo-os vibrar. Os fótons retroespalhados individualmente mudam de cor dependendo da estrutura e das propriedades químicas da amostra. Este fenômeno é conhecido como efeito Raman. A luz originalmente monocromática agora também contém outros componentes de cor. O espectro de cores fornece percepções detalhadas sobre a estrutura e a composição da matéria que é estimulada pelo feixe de laser.

Notavelmente, o laser pode ser focalizado em um ponto específico do espaço com uma precisão de alguns milésimos de milímetro. Isso facilita o estudo da amostra ponto a ponto, mas não apenas em sua superfície:se a amostra for transparente, o feixe também pode ser focalizado em áreas internas. "E foi exatamente isso que fizemos, "explica o Prof. Dr. Thorsten Geisler-Wierwille do Instituto de Geociências e Meteorologia da Universidade de Bonn.

Camada de opala na superfície do vidro

Os pesquisadores usaram um pequeno pedaço de vidro de silicato como amostra que reagiu com uma solução aquosa em um recipiente de aquecimento especialmente desenvolvido. Era possível mover o vaso em etapas de um milésimo de milímetro sob o microscópio Raman - para a direita, deixou, frente, e para trás, mas também para cima e para baixo. "Escaneamos o vidro ponto a ponto e registramos um espectro Raman enquanto ele reagia com a solução, "diz Lars Dohmen, que atualmente está concluindo seu doutorado sob a supervisão de Geisler-Wierwille. "Isso nos permitiu investigar a reação quase em tempo real. Isso atualmente funciona em temperaturas de até 150 graus, que, por exemplo, também são esperados em um repositório nuclear. "

Os resultados indicam que o vidro de silicato se dissolve rapidamente quando entra em contato com soluções aquosas - quase como um cubo de açúcar em uma xícara de café. Contudo, enquanto as moléculas de açúcar são rapidamente distribuídas de maneira uniforme na água por difusão, este não é o caso durante a corrosão do vidro:parte da sílica dissolvida resultante parece permanecer perto da superfície do vidro. Em algum ponto, sua concentração torna-se tão alta que se solidifica.

“Também falamos de precipitação de sílica, "explica o Prof. Geisler-Wierwille." As moléculas de sílica na solução se interligam para formar agregados de apenas alguns milionésimos de milímetro de tamanho, que são depositados na superfície do vidro e amadurecem em um estado semelhante a opala. "No entanto, os pesquisadores conseguiram mostrar que essa camada de opala não oferece proteção perfeita contra a água. Em vez de, a frente de dissolução-precipitação continua a abrir caminho para o vidro. Como resultado, o vidro é gradualmente substituído por opala, embora em uma velocidade decrescente. "Pela primeira vez, demonstramos experimentalmente que uma solução limite com formas de sílica dissolvida entre a camada de opala e o vidro subjacente, "explica Geisler-Wierwille." À medida que a espessura da camada de opala aumenta, ele evita cada vez mais que a solução de sílica seja transportada para longe da interface de reação. "Suspeitamos que eventualmente gele para uma massa viscosa, que retarda drasticamente a dissolução do vidro. "

No estudo, isso já acontecia após 25 milésimos de milímetro. "Mesmo que a reação tenha se tornado muito lenta, não pode ser descartado que este processo de corrosão irá liberar elementos radioativos por longos períodos de tempo, "enfatiza Geisler-Wierwille. No entanto, os vidros usados ​​para a vitrificação de resíduos nucleares são muito mais estáveis ​​contra a água do que os vidros investigados. "Queremos estender nossos experimentos a esses tipos de vidro em um futuro próximo, "enfatiza o pesquisador. Estudos com vidros de silicato nos quais já estão incorporados elementos radioativos. Os pesquisadores e seus parceiros querem investigar a influência dos danos da autoirradiação no vidro sobre sua resistência à corrosão." que nosso novo método pode fornecer insights de longo alcance sobre esses processos, "diz Geisler-Wierwille.

O nível de interesse demonstrado pela indústria neste trabalho também se reflete no financiamento do projeto piloto:Um dos patrocinadores do estudo é o renomado fabricante de vidros Schott AG.