Ученые разработали новый способ синтеза высокочистого циркона

11:55, 28 января 2021

Необычный материал можно использовать для хранения и утилизации радиоактивных элементов

Циркон синтезировали золь-гель методом и подвергали последовательной термообработке. Фото: Олег Меркулов.

Группа ученых УрФУ, Институтов химии твердого тела и геологии и геохимии Уральского отделения РАН синтезировала однофазный циркон высокой чистоты (ZrSiO4) и провела анализ его структурных, термических, колебательных и оптических свойств. Полученный образец циркона можно использовать в качестве эталонного при минералогических, в частности, спектроскопических исследованиях. Статью об этом научный коллектив опубликовал в Journal of Solid State Chemistry (Q2).

Новизна работы, во-первых, в том, что ученые впервые поставили и решили задачу создания циркона с определенными спектральными свойствами. С этой целью они отработали так называемый золь-гель метод. Он отличается технологической простотой, контролируемостью процессов и позволяет синтезировать больший объем продуктов с высокой чистотой, чем при использовании других методов. Сначала из карбоната металла циркония и кремнийорганического соединения они получили золь — дисперсная среда с присутствием мелких твердых частиц, из него — коллоидную систему, затем, после сушки и измельчения — порошок-прекурсор высокой степени гомогенности, который подвергли дальнейшему измельчению и прокаливанию.

Во-вторых, установили, что при механическом перемешивании и последовательном отжиге — нагревании до 1550° С и дальнейшем охлаждении прекурсора до комнатной температуры — количество дефектов в синтезированном образце снижается и достигается его высокая чистота.

«Природный циркон присутствует почти во всех типах горных пород. Однако синтез позволяет контролируемым образом создавать цирконы с заданным примесным составом, дефектностью и, следовательно, спектроскопическими свойствами. Образцы циркона, созданные в лабораторных условиях, предназначены для решения конкретных задач», — объясняет участник исследований, старший научный сотрудник УрФУ и ИГГ УрО РАН Дмитрий Замятин.

Области применения циркона, полученного екатеринбургскими учеными, обширны. Благодаря высокой температуре плавления (выше 2000º C), химической стойкости, механической прочности, низкому коэффициенту расширения при высоких температурах и низкой теплопроводности циркон пригоден как огнеупорный материал (например, для изготовления промышленных печей) и пигмент для производства термостойких красок. Наличие примесей и дефектов в структуре позволяет рассматривать его как стандарт для изучения механизмов образования дефектов в природных кристаллах циркона.

«Даже небольшая концентрация примесей, таких как железо, марганец, титан, редкоземельные элементы, заметно влияет на люминесцентные свойства циркона, в некоторых случаях примеси усиливают свечение в определенном диапазоне электромагнитных волн. Другими словами, с помощью примесей можно придать циркону необходимые люминисцентные свойства и использовать его в качестве люминофора или для детектирования уровня радиационных повреждений, так как структура циркона хорошо „запоминает“ радиационную дозу, которую она получила», — продолжает Дмитрий Замятин.

Кроме того, матрица искусственного циркона способна вместить большое количество урана и тория. Это позволяет использовать синтезированный циркон в качестве контейнера для долгосрочного хранения и утилизации радиоактивных элементов.

Отметим, исследования выполнены при финансовой поддержке Института геологии и геохимии УрО РАН (гранты №№ АААА-А18-118053090045-8 и АААА-А19-119071090011-6), а также Института химии твердого тела УрО РАН (грант № AAAA-A19-119031890026-6).

Справка

Характерная особенность природного циркона в том, что он включает в себя радиоактивные уран и торий. За время геологической жизни, а это сотни миллионов и миллиарды лет, они распадаются, образуя свинец и облучая циркон изнутри. По мере накопления дозы радиации циркон деформируется, переходя от кристаллического состояния к аморфному (дефектному). Циркон имеет высокую стойкость к внешним воздействиям, которая снижается с увеличением дефектности. Следовательно, зная скорость распада урана и тория, концентрацию свинца внутри циркона, степень его дефектности и преобразованности, можно установить возраст образца минерала. Поэтому природный циркон широко применяется как геохронометр (природные «радиоактивные часы»), для изучения геологического прошлого нашей планеты, и является одним из самых изучаемых минералов.