Silicaatglas kent vele toepassingen, inclusief gebruik als vorm van nucleair afval om radioactieve elementen uit verbruikte splijtstof te immobiliseren. Echter, het heeft één nadeel:het corrodeert wanneer het in contact komt met waterige oplossingen. Wetenschappers van de Universiteit van Bonn hebben tot in detail kunnen observeren welke processen plaatsvinden. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

De mineralogen en geochemici van de Universiteit van Bonn gebruikten confocale Raman-spectroscopie voor hun studie, waarbij een laserstraal door een microscoop op een monster wordt gericht. Het licht interageert met de moleculen in het materiaal, waardoor ze gaan trillen. Individueel terugverstrooide fotonen veranderen van kleur afhankelijk van de structuur en de chemische eigenschappen van het monster. Dit fenomeen staat bekend als het Raman-effect. Het van oorsprong monochromatische licht bevat nu ook andere kleurcomponenten. Het kleurenspectrum geeft gedetailleerd inzicht in de structuur en samenstelling van de materie die door de laserstraal wordt geëxciteerd.

Opmerkelijk, de laser kan tot op een bepaald punt in de ruimte worden gefocusseerd met een nauwkeurigheid van enkele duizendsten van een millimeter. Dit vergemakkelijkt het punt voor punt bestuderen van de steekproef, maar niet alleen op het oppervlak:als het monster transparant is, de straal kan ook in interne gebieden worden gefocusseerd. "En dat is precies wat we deden, " legt prof. dr. Thorsten Geisler-Wierwille van het Instituut voor Geowetenschappen en Meteorologie van de Universiteit van Bonn uit.

Opaallaag op het glasoppervlak

De onderzoekers gebruikten een klein stukje silicaatglas als monster dat reageerde met een waterige oplossing in een speciaal ontwikkeld verwarmingsvat. Het was mogelijk om het vat in stappen van een duizendste millimeter onder de Raman-microscoop te verplaatsen - naar rechts, links, naar voren, en achteruit, maar ook op en neer. "We hebben het glas punt voor punt gescand en een Raman-spectrum opgenomen terwijl het reageerde met de oplossing, " zegt Lars Dohmen, die momenteel promoveert onder begeleiding van Geisler-Wierwille. "Hierdoor konden we de reactie bijna in realtime onderzoeken. Dit werkt momenteel bij temperaturen tot 150 graden, die, bijvoorbeeld, worden ook verwacht in een nucleaire opslagplaats."

De resultaten geven aan dat silicaatglas snel oplost wanneer het in contact komt met waterige oplossingen - bijna als een suikerklontje in een kopje koffie. Echter, terwijl de suikermoleculen door diffusie snel gelijkmatig in het water worden verdeeld, dit is niet het geval tijdens glascorrosie:een deel van het resulterende opgeloste silica lijkt dicht bij het oppervlak van het glas te blijven. Op een gegeven moment, de concentratie wordt zo hoog dat het stolt.

"We spreken dan ook van silica-neerslag, " legt prof. Geisler-Wierwille uit. "Siliciummoleculen in de oplossing verbinden zich tot aggregaten van slechts enkele miljoensten van een millimeter groot, die worden afgezet op het glasoppervlak en rijpen tot een opaalachtige staat." de onderzoekers konden aantonen dat deze opaallaag geen perfecte bescherming biedt tegen water. In plaats daarvan, het oplos-neerslagfront blijft zich een weg banen in het glas. Als resultaat, het glas wordt geleidelijk vervangen door opaal, hoewel met een afnemende snelheid. "Voor de eerste keer, we hebben experimenteel aangetoond dat een grensoplossing met opgelost silica zich vormt tussen de opaallaag en het onderliggende glas, " legt Geisler-Wierwille uit. "Naarmate de dikte van de opaallaag toeneemt, het verhindert in toenemende mate dat de silica-oplossing van het reactie-interface wordt getransporteerd. "We vermoeden dat het uiteindelijk geleert tot een stroperige massa, wat het oplossen van glas drastisch vertraagt."

In de studie, dit was al het geval na 25 duizendste van een millimeter. "Hoewel de reactie erg traag werd, het is niet uitgesloten dat bij dit corrosieproces gedurende lange tijd radioactieve elementen vrijkomen, " benadrukt Geisler-Wierwille. Echter, glas dat wordt gebruikt voor de verglazing van kernafval is veel stabieler tegen water dan het onderzochte glas. "We willen onze experimenten in de nabije toekomst uitbreiden naar deze glassoorten, " benadrukt de onderzoeker. Studies met silicaatglas waarin al radioactieve elementen zijn verwerkt, zijn ook gepland. De onderzoekers en hun partners willen de invloed van zelfbestralingsschade in het glas op de corrosieweerstand onderzoeken. "Het huidige werk moet vooral bewijzen dat onze nieuwe methode verregaande inzichten kan geven in deze processen, ", zegt Geisler-Wierwille.

De belangstelling van de industrie voor dit werk komt ook tot uiting in de financiering van het proefproject:een van de sponsors van het onderzoek is de bekende glasfabrikant Schott AG.