Физики «просветили» перспективный материал для атомной промышленности

31.10.2019

Технологии долговременного хранения отходов ядерного топлива и многие другие задачи промышленности, ядерной медицины, сегодня требуют разработки и создания новых функциональных материалов. Перспективными являются наноуглеродные структуры (фуллерены, углеродные нанотрубки и другие формы углерода). Их свойства – термостойкость, электрическая проводимость, теплопроводность, прочность – можно усилить при помощи внедрения металлов. В Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ) Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) при помощи метода EXAFS спектроскопии были проведены исследования образцов новых металл-углеродных нанокомпозитов, разработанных в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ).

Ключевой принцип изоляции радиоактивных отходов – наличие нескольких барьеров, сдерживающих распространение радионуклидов в окружающей среде. Один из способов первичной иммобилизации радиоактивных отходов – использование матриц металл-углеродных нанокомпозитов.

«Углерод химически инертен, способен выдерживать высокие температуры, его изотопы – С12 и С13 – имеют низкое сечение захвата нейтронов, – рассказывает научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, кандидат физико-математических наук Виктор Байрамуков. – Тесты на химическую, термическую и радиационную устойчивость пиролизатов, синтезированных из фракционированных высокоактивных отходов, показали результаты сопоставимые, а по химической устойчивости – превосходящие используемые в промышленности боросиликатные и фосфатные стекла. Также данные материалы могут найти применение в ядерной медицине – в качестве контрастирующих агентов».

Существуют различные традиционные способы создания металл-углеродных нанокомпозитов, то есть введения в углеродную матрицу атомов различных металлов. Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ разрабатывают собственную технологию, основанную на пиролизе (термическом разложении в бескислородной среде) соединений-предшественников (прекурсоров) молекул дифталоцианинов металлов и последующем их пиролизе. В качестве прекурсоров используются металлорганические соединения. Первые эксперименты были выполнены на системе металла иттрия и углерода.

Исследования локальной структуры образцов НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ проводились в ЦКП СЦСТИ методом EXAFS (Extended X- ray Absorption Fine Structure) спектроскопии.

«При помощи EXAFS спектроскопии мы исследовали образцы, приготовленные коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в разных технологических условиях, – добавляет научный сотрудник ФИЦ Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, сотрудник ЦКП СЦСТИ, кандидат химических наук Владимир Кривенцов, – и увидели, что в зависимости от температуры пиролиза иттрий может существовать (стабилизироваться) в различных формах – в виде атомарно-диспергированного иттрия, иттриевых кластеров и наночастиц. Наличие различных форм и их соотношение обуславливает свойства синтезированного нанокомпозита. Также мы обнаружили короткие прочные связи металл-углерод, которые жестко фиксируют иттрий в углеродной матрице».

 

133                2

Слева: Просвечивающая растровая электронная микроскопия YCx (900°С, пиролиз в течение 1 ч), показано неоднородное распределение металла в углеродной матрице. Справа: Данные EXAFS спектроскопии - функция радиального распределения атомов локального окружения иттрия образца нанокомпозита - YCx (900°С, пиролиз в течение 1 ч), установлено наличие коротких связей Y-С и металлических Y0 наноформ. Фотографии предоставлены В. Байрамуковым и В. Кривенцовым.


Результаты EXAFS спектроскопии подтверждают данные, полученные специалистами ПИЯФ методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии, малоуглового рассеяния нейтронов, рентгеновской дифракции, и дополняют знания об изучаемых системах уникальными сведениями. Например, о локальной структуре образцов, то есть параметрах ближнего окружения атомов. Такую информацию каким-либо другим методом получить невозможно. По словам Владимира Кривенцова, подобные системы всегда изучаются комплексом физико-химических методов, потому что для научного исследования важна полнота и достоверность, а возможности методов, и, следовательно, получаемая информация, могут значительно различаться. Например, дифракция не «видит» маленькие кластеры, потому что они рентгеноаморфны, а EXAFS спектроскопия «видит». Однако на хорошо окристаллизованных многофазных системах дифракция позволяет достоверно определить все фазы, что не всегда возможно для EXAFS.

«Метод EXAFS спектроскопии является оригинальным методом исследования наноразмерных материалов от 1 нм и выше вне зависимости от их фазового состояния (твердого, жидкого, газообразного) и наличия или отсутствия упорядоченной структуры, – поясняет заведующий сектором ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Константин Золотарев. – Поскольку при этом селективно выделяются данные только для одного химического элемента, метод позволяет изучать сложные системы, содержащие несколько химических элементов, и определять поочередно структуру локального окружения селективно выбранных атомов исследуемой системы. В России пользовательские станции, где реализован метод EXAFS спектроскопии, находятся только в ИЯФ СО РАН и НИЦ «Курчатовский институт»».

Справка: ЦКП СЦСТИ создан на базе лабораторий ИЯФ СО РАН и имеет статус открытой лаборатории, в деятельности которой могут принимать участие российские и зарубежные организации и ученые. Основой для деятельности Центра являются крупные электрофизические установки ИЯФ СО РАН: накопители электронов/позитронов ВЭПП-3 и ВЭПП-4М – источники синхротронного излучения, и Новосибирский лазер на свободных электронах – источник терагерцового излучения.