Минералы, которые умеют сжиматься: открытие может изменить методы захоронения радиации

Учёные из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский) впервые подробно описали, как изменяется кристаллическая структура минералов куплетскита и цезийкуплетскита при нагревании.

Полученные данные важны не только для горнодобывающей отрасли, где требуется извлечение марганца и цезия, но и для разработки керамических материалов, способных избирательно поглощать и удерживать цезий, что делает их перспективными для долговременного захоронения радиоактивных отходов.

Исследование, опубликованное в журнале Minerals, показало: под воздействием высокой температуры в кислородной среде содержащийся в минералах марганец теряет электроны, а из кристаллической решётки удаляется вода. В результате слоистая структура минералов сжимается — свойство, которое может быть использовано для создания материалов, эффективно поглощающих радиоактивный цезий.

Куплетскит и его цезийсодержащий аналог представляют собой слоистые пористые минералы. Их кристаллическая решётка состоит из чередующихся слоёв: один слой образован атомами марганца с примесью железа и магния, другой — атомами титана и кремния. Между слоями располагаются крупные положительно заряженные ионы (катионы), среди которых может быть и цезий.

Особое внимание к цезию связано с его радиоактивным изотопом — цезием-137, который является одним из наиболее опасных загрязнителей при радиационных авариях. Чтобы изучить поведение минералов в экстремальных условиях, исследователи нагревали образцы до 1000 °C и фиксировали изменения структуры с помощью рентгеновской дифрактометрии — метода, позволяющего определять расположение атомов по отражению рентгеновских лучей.

Эксперимент показал, что при нагреве до 500 °C кристаллы сначала расширяются, но затем резко сжимаются. Это связано с процессом окисления марганца, сопровождающимся выделением воды. По мнению авторов, аналогичный механизм может происходить и в других минералах, особенно в природных условиях на глубине или при технологической обработке пород.