Научные достижения химического факультета
27.08.2020

Радиохимики разгадали "головоломку" наночастиц оксида плутония

Сотрудники кафедры радиохимии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с коллегами из научных институтов Германии, Франции и Швеции исследовали с помощью современных структурных методов наночастицы оксида плутония – одного из радиоактивных элементов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanoscale.

Работы о свойствах наноразмерных материалах доминируют в научных журналах в последнее десятилетие. Приближаясь к размеру 10^-9 м, вещества начинают демонстрировать экзотические оптические, электронные и механические свойства, несвойственные макрообъектам. Наночастицы радиоактивных элементов обладают большой реакционной и миграционной способностью в геологической среде. Для решения вопросов радиационной безопасности необходима информация о строении и физико-химических свойствах радиоактивных элементов и их соединений, которые потенциально могут попасть в окружающую среду.

"Изучение наночастиц соединений радиоактивных элементов важно для понимания того, как они формируются, как связаны их свойства и структура. Огромные территории загрязнены радиоактивным плутонием в результате аварий или санкционированных сбросов отходов. Плутоний, альфа-излучатель с периодом полураспада более 24 тысяч лет, представляет огромную угрозу. Поэтому детальное изучение форм существования радиоактивного элемента, сорбции бактериями и в земных породах, основополагающе при расчете безопасности хранилищ радиоактивных отходов", - поясняет декан Химического факультета МГУ, член-корреспондент РАН Степан Калмыков.

Сотрудники кафедры радиохимии МГУ в ходе сорбционных экспериментов плутония на гематите (природный минерал) неожиданно обнаружили, что плутоний не просто сорбируется на поверхности, а образует кристаллические наночастицы оксида плутония PuO₂. Затем радиохимики целенаправленно синтезировали серию частиц оксида плутония из растворов солей плутония с разными степенями окисления металла (+3, +4, +5). К удивлению ученых, вне зависимости от исходной степени окисления плутония и pH раствора, были получены практически идентичные оксидные наночастицы PuO₂ размером около 3-х нанометров.

"Мы не ставили перед собой цель получить наночастицы определенного размера. Из других исследований известно, что для оксида плутония размер приблизительно 3 нм не является единственным, существуют и наночастицы больших размеров.  Необычно то, что мы получили одни и те же частицы при разных условиях, что нехарактерно для других актиноидов", - прокомментировал один из авторов работы, аспирант Евгений Гербер.

Ученые МГУ провели первичные исследования наночастиц методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и электронной дифракции. Специалисты Европейского синхротронного центра ESRF (Франция) с помощью методов HERFD (High‐EnergyResolutionFluorescenceDetection) и EXAFS (ExtendedX-rayAbsorptionFineStructure) получили информацию о локальной и электронной структуре частиц и расположении соседних атомов по отношению к исследуемому. Методом HEXS (High-Energy X-ray Scattering) ученые определили размеры наночастиц и доказали, что их структура соответствует диоксиду плутония PuO₂. Все методы, реализуемые на Европейском синхротроне, требует достаточно сложного оборудования и в России на данный момент таких установок нет.

"Для плутония и других актиноидов формулы оксидных наночастиц часто записывают как ЭO_2+-x, тем самым показывая, что в них присутствуют металл в нескольких степенях окисления (+3, +4, +5 и другие). Наши результаты доказывают, что в наночастицах присутствует только четырёхвалентный плутоний.  Кроме того, для наночастиц многих актиноидов характерно наличие поверхностных групп, что приводит к образованию связей Э-OH, Э-H₂O. Нам удалось показать, используя комбинацию методов, что на поверхности и во внутренней структуре отсутствуют такие связи", - заключают авторы работы.

Комментарий к рисунку За основу была взята структура кристаллического PuO2, которая была размножена большое количество раз для статистики, после чего были проведены изменения положения атомов в структуре с целью воспроизведения разупорядоченности (всего 29 миллионов изменений). В результате была получена структура, представленная на рисунке, с помощью которой был получен теоретический EXAFS-спектр, который был сравнен с экспериментальным. Белыми точками на рисунке показано распределение атомов (т.е. какие варианты были исследованы, но отброшены в пользу более энергетически выгодных положений атомов)