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».