Физики "просветили" перспективный материал для атомной промышленности

Технологии долговременного хранения отходов ядерного топлива и многие другие задачи промышленности, ядерной медицины, сегодня требуют разработки и создания новых функциональных материалов.В Центре коллективного пользования "Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения" (ЦКП СЦСТИ) Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН при помощи метода EXAFS спектроскопии были проведены исследования образцов новых металл-углеродных нанокомпозитов, разработанных в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ) им. Б.П. Константинова НИЦ "Курчатовский институт".Как отмечают ученые, перспективными являются наноуглеродные структуры (фуллерены, углеродные нанотрубки и другие формы углерода). Их свойства - термостойкость, электрическая проводимость, теплопроводность, прочность - можно усилить при помощи внедрения металлов. 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, - пояснил научный сотрудник „Курчатовского института", 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 "Курчатовского института 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 проводились методом EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) спектроскопии."При помощи EXAFS спектроскопии мы исследовали образцы, приготовленные коллегами из НИЦ „Курчатовский институт" в разных технологических условиях, - добавил научный сотрудник ФИЦ „Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН", сотрудник ЦКП СЦСТИ кандидат химических наук Владимир Кривенцов. - Мы 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".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, - сообщил 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"".

Также по теме: