Наноинженеры: давление открывает нанопоры в минералах
Сжимая пористое твёрдое тело, учёные неожиданно заставили его поры открыться шире, при этом впуская и захватывая в ловушку ионы европия, сообщает «WordScience.org». Учитывая сходство между ионами европия и урана, команда учёных из в университета Южной Каролины (University of South Carolina), Йонсейского университета (Yonsei University - Южная Корея) и Стэнфордского университета (Stanford University), считает, что данное открытие может представлять собой новый перспективный путь для предприятий по переработке ядерных отходов.
Основное внимание в их работе пало на натролит, один из многих примеров алюмосиликатных минералов из группы цеолитов, которые имеют крошечные, с одинаково расположенными по расстоянию порами. Цеолиты имеют более, чем 100 различных форм и состав каждого варианта определяет размер полости и следовательно, виды молекул и ионов, которые могут быть сохранены, или исключены из их пор.
В результате, цеолиты могут разделять и сортировать химические соединения: если добавить в раствор, содержащую смесь ионов, они могут выборочно сохранять только те ионы, которые могут поместиться в их поры.
Авторы основываются на ряде исследований, которые демонстрируют, как установить контроль над «гостями», которых цеолиты будут держать в своей полости. Команда использует решение, которое используется довольно редко для контроля размера полости: давление.
Работая с натролитом, природным цеолитом с «2:03:10» отношением «Al:Si:O», команда сообщила в «Angewandte Chemie», что им удалось уговорить трёхвалентные «Eu3+» ионы на обмен с «К+» ионами в наноразмерных порах материала. После того, как давление было приостановлено, иммобилизованные ионы оказывались в ловушке.
«Что касается натролита, люди всегда говорили, что вы невозможно получить «Eu3+» в его пределах. Но под давлением, это возможно», - сказал Томас Фогт (Thomas Vogt), один из соавторов, профессор на кафедре химии и биохимии в колледже искусств и естественных наук Университета Южной Каролины.
Результат парадоксален в том, что гидростатическое давление применяемое в клетке алмазной наковальни, как правило превышает 1 Гпа (больше чем 10,000 атм) - это и может заставить поры в пределах натролита расширяться в объёме. «По существу, это открывает «окно» для увеличенных ионов, чтобы мигрировать в поры и оказаться там запертыми в ловушке, после сброса давления», - сказал Вогт.
Обмен ионов европия даёт многообещающие надежды для предприятий по переработке ядерных отходов. «Радиус Eu3+ = 108,7 пиктометров, которая близка к 103 пиктометрам U4+», - сказал Вогт. «Мы доказали, что можем обмениваться Eu3+ на K+. Этот разновалентный обмен заменяет 90% калия».
Помимо этого, Фогт считает, что изучение поведения натролита под давлением может оказаться полезным для учёных, исследующих внутренние работы земной коры. «Мы создали картину того, как оказание давления приводит к не-интуитивному увеличению объёма и даже к поглощению воды», - сказал он. «Всё это - обычные материалы в земной коре. Минералогия, тектоника… - есть много областей, где данное открытие может представить особый интерес», - закончил Фогт.