Il vetro silicato ha molte applicazioni, compreso l'uso come forma di scorie nucleari per immobilizzare elementi radioattivi dal combustibile esaurito. Però, ha uno svantaggio:si corrode quando entra in contatto con soluzioni acquose. Gli scienziati dell'Università di Bonn sono stati in grado di osservare in dettaglio quali processi avvengono. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Materiali della natura .

I mineralogisti e i geochimici dell'Università di Bonn hanno utilizzato la spettroscopia confocale Raman per il loro studio, in cui un raggio laser viene focalizzato su un campione attraverso un microscopio. La luce interagisce con le molecole del materiale, facendoli vibrare. I fotoni retrodiffusi individualmente cambiano colore a seconda della struttura e delle proprietà chimiche del campione. Questo fenomeno è noto come effetto Raman. La luce originariamente monocromatica ora contiene anche altre componenti cromatiche. Lo spettro dei colori fornisce approfondimenti dettagliati sulla struttura e sulla composizione della materia eccitata dal raggio laser.

In particolare, il laser può essere focalizzato in un punto specifico nello spazio con una precisione di pochi millesimi di millimetro. Questo facilita lo studio del campione punto per punto, ma non solo sulla sua superficie:se il campione è trasparente, il fascio può essere focalizzato anche in aree interne. "E questo è esattamente quello che abbiamo fatto, " spiega il prof. Dr. Thorsten Geisler-Wierwille dell'Istituto di geoscienze e meteorologia dell'Università di Bonn.

Strato opalino sulla superficie del vetro

I ricercatori hanno utilizzato un piccolo pezzo di vetro ai silicati come campione che ha reagito con una soluzione acquosa in un recipiente di riscaldamento appositamente sviluppato. Era possibile spostare la nave in passi di un millesimo di millimetro sotto il microscopio Raman - a destra, sinistra, inoltrare, e indietro, ma anche su e giù. "Abbiamo scansionato il vetro punto per punto e registrato uno spettro Raman mentre reagiva con la soluzione, "dice Lars Dohmen, che sta attualmente completando il suo dottorato sotto la supervisione di Geisler-Wierwille. "Questo ci ha permesso di studiare la reazione quasi in tempo reale. Attualmente funziona a temperature fino a 150 gradi, quale, ad esempio, sono attesi anche in un deposito nucleare".

I risultati indicano che il vetro silicato si dissolve rapidamente quando viene a contatto con soluzioni acquose, quasi come una zolletta di zucchero in una tazza di caffè. Però, mentre le molecole di zucchero si distribuiscono rapidamente e uniformemente nell'acqua per diffusione, questo non è il caso durante la corrosione del vetro:parte della silice disciolta risultante sembra rimanere vicino alla superficie del vetro. Ad un certo punto, la sua concentrazione diventa così alta che si solidifica.

"Si parla poi anche di precipitazioni di silice, " spiega il Prof. Geisler-Wierwille. "Le molecole di silice nella soluzione si intrecciano per formare aggregati di soli pochi milionesimi di millimetro di dimensione, che si depositano sulla superficie del vetro e maturano in uno stato simile all'opale." Tuttavia, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che questo strato di opale non fornisce una protezione perfetta contro l'acqua. Anziché, il fronte di dissoluzione-precipitazione continua a farsi strada nel bicchiere. Di conseguenza, il vetro viene gradualmente sostituito dall'opale, anche se a velocità decrescente. "Per la prima volta, abbiamo dimostrato sperimentalmente che tra lo strato opale e il vetro sottostante si forma una soluzione limite con silice disciolta, " spiega Geisler-Wierwille. "Man mano che lo spessore dello strato di opale aumenta, impedisce sempre più che la soluzione di silice venga trasportata lontano dall'interfaccia di reazione. "Sospettiamo che alla fine si gelifichi in una massa viscosa, che rallenta drasticamente la dissoluzione del vetro."

Nello studio, era già così dopo 25 millesimi di millimetro. "Anche se la reazione è diventata molto lenta, non si può escludere che questo processo di corrosione rilasci elementi radioattivi per lunghi periodi di tempo, " sottolinea Geisler-Wierwille. Tuttavia, i vetri utilizzati per la vetrificazione delle scorie nucleari sono di gran lunga più stabili all'acqua rispetto al vetro studiato. "Vogliamo estendere i nostri esperimenti a questi tipi di vetro nel prossimo futuro, " sottolinea il ricercatore. Sono previsti anche studi con vetro silicato in cui sono già incorporati elementi radioattivi. I ricercatori e i loro partner vogliono indagare sull'influenza dei danni da autoirradiazione nel vetro sulla sua resistenza alla corrosione. "Il lavoro attuale dovrebbe dimostrare principalmente che il nostro nuovo metodo può fornire approfondimenti di vasta portata in questi processi, " dice Geisler-Wierwille.

Il livello di interesse mostrato dall'industria in questo lavoro si riflette anche nel finanziamento del progetto pilota:uno degli sponsor dello studio è il rinomato produttore di vetro Schott AG.