ХИМИКИ МГУ РАСКРЫЛИ СТРУКТУРУ РАДИОАКТИВНЫХ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ТОРИЯ
24.06.2019
Источник: Пресслужба МГУ, 24.06.19
Сотрудники
кафедры радиохимии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с
иностранными коллегами впервые исследовали с помощью современных структурных
методов наночастицы оксида тория – одного из радиоактивных элементов.
Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Physical Chemistry
Chemical Physics.
В
последнее десятилетие работы по изучению наноразмерных материалов доминируют в
научных журналах. Дело в том, что, приближаясь к размеру 10-9 м, объекты
начинают демонстрировать экзотические оптические, электронные и механические
свойства, несвойственные макроматериалам. Поэтому информация о структуре
наночастиц имеет фундаментальное значение для объяснения их устойчивости и
поверхностных свойств.
В
лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды МГУ изучение
наночастиц радиоактивных элементов началось после сорбционных экспериментов
плутония на гематите (природный минерал). Ученые обнаружили, что плутоний не
просто сорбируется на поверхности, а образует кристаллические наночастицы
оксида плутония PuO2. В ходе дальнейших исследований российские радиохимии под
руководством декана химического факультета МГУ, член-корреспондента РАН Степана
Калмыкова целенаправленно синтезировали серию (размером от 2,5 до 30 нм) частиц
оксида другого радиоактивного элемента – тория. Сотрудники МГУ также провели
первичную характеризацию наночастиц методом просвечивавшей электронной
микроскопии высокого разрешения и электронной дифракции. Во Франции специалисты
получили HERFD-спектры образцов. Затем ученые из Франции, Германии и Швеции
совместно занимались моделированием спектров и интерпретацией результатов.
Методом
HERFD (High‐Energy
Resolution Fluorescence Detected, спектроскопия рентгеновского поглощения с
высоким разрешением) ученые исследуют тонкую структуру спектра поглощения
рентгеновского излучения вблизи края поглощения. Краем поглощения называют
резкий скачок в спектре рентгеновского поглощения. Скачок происходит, когда
энергия рентгеновских фотонов превышает энергию связи электронов внутренних
уровней с ядром атома. Структура спектра вблизи края поглощения позволяет
определить ближнее окружение атома — количество и расположение соседних атомов
по отношению к исследуемому.
Напрямую
из спектров можно вынести немного информации. Для полноценной интерпретации
данных рентгеновского поглощения ученым необходимо проводить моделирование
спектров, в том числе с привлечением методов квантовой химии. Методика HERFD,
которая позволяет достичь такого результата, требует достаточно сложного
оборудования, в России на данный момент таких установок нет. В мире таких
установок всего пара десятков.
Исследователи
впервые получили HERFD-спектры атомов тория для оксидных наночастиц различного
размера. Ученые определили влияние размера частиц на область спектра после края
поглощения. Используя методы квантовой химии, специалисты связали спектр со
структурой и локальной средой атомов тория.
Значительный вклад в свойства малых наночастиц вносят поверхностные атомы
тория, для которых количество соседних атомов меньше, чем в объеме
нанокристалла. Но это было ожидаемо, говорят исследователи: «Глобально наша
задача — понять, как образуются и какими свойствами (размер, морфология,
устойчивость, свойства поверхности) обладают наночастицы оксидов актинидов, —
рассказала одна из участниц научной группы, м.н.с. кафедры радиохимии Татьяна
Плахова. — Для начала мы выбрали оксид тория, поскольку он является
изоструктурным аналогом оксидов других актинидов (плутония, урана, нептуния),
но при этом торий проявляет всего одну валентность и образует только один оксид
(ThO2), в отличие от других представителей этого ряда. То есть, мы можем
изучать более простые наночастицы оксида тория и переносить их свойства и
закономерности образования на наночастицы более сложных актинидных систем».