Магнетит помог урану образовать оксидные нанокристаллы

Химики в процессе наблюдения за реакцией восстановления шестивалентного урана на магнетитовых частицах обнаружили образование наноструктур из оксида урана. За четыре недели образцы наночастиц магнетита покрылись наноструктурной сетью, которая состояла из наностержней четырехвалентного оксида металла. Исследование, которое может быть полезно для разделения изотопов урана и устранения урановых загрязнений в природе, опубликовано в Nature Communications.

Переход растворимых форм шестивалентного урана в нерастворимые соединения трехвалентного урана значительно влияет на поведение этого элемента в природе. Редокс-активные минералы, которые охотно вступают в окислительно-восстановительные реакции, содержащие двухвалентное железо или сульфиды, такие как пирит, магнетит, зеленая ржавчина и глины, содержащие Fe(II), часто участвуют в восстановлении урана.

Хоть реакция играет важную роль в биогеохимии, до сих пор не до конца изучены молекулярные механизмы восстановления шестивалентного урана минералами, содержащими двухвалентное железо, передачи электронов и последующее выпадения осадка оксида урана.

Зежень Пан (Zezhen Pan) с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны с помощью методов микроскопии и спектроскопии описали реакцию восстановления шестивалентного урана на поверхности магнетита и последующего образования нанокристаллов оксида урана UO₂. В условиях отсутствия кислорода в атмосфере азота ученые синтезировали наночастицы магнетита (смешанного оксида железа), которые затем добавили к хлориду шестивалентного урана в буферном растворе нейтральной кислотности и оставили в темном месте на четыре недели. Периодически исследователи отбирали часть суспензии и исследовали ее состав и структуру растущих кристаллов.

С течением времени авторы наблюдали уменьшение концентрации шестивалентного урана за счет появления и роста концентраций переходной пятивалентной и четырехвалентной форм урана на твердых компонентах суспензии. 

Спустя 12 часов после начала эксперимента, на поверхности магнетита исследователи обнаружили наночастицы урановых соединений диаметром от одного до двух нанометров. Отдельные короткие наностержни, растущие из поверхности магнетита, авторы интерпретировали как ранние стадии самоорганизации урановых наночастиц, которые состоят из оксида урана. В пробах, отобранных через пять дней и четыре недели, ученые наблюдали уже не отдельные наностержни, а кластеры из них, покрывающие всю поверхность магнетитовых частиц. В конечном итоге рост кристаллов и их слияние приводили к разрушению стержней и образованию нанокластеров частиц с одинаковой ориентацией.

Несмотря на множество исследований по этой теме, подобных структур в таких системах раньше не наблюдали. Авторы объясняют это изменчивой кинетикой процессов образования кристаллов, которая зависит от состава среды и соотношений элементов, участвующих в реакции. В проведенных экспериментах за счет медленной кинетики восстановления, авторы могли наблюдать появление переходной пятивалентной формы и формирование наноструктур.

Проанализировав структуру наностержней, авторы заметили, что ориентация кристаллов в них различалась, из чего ученые сделали вывод, что формирование наностержней происходило по механизму присоединения частиц оксидов урана с помощью сил Ван-дер-Ваальса. Отдельные наностержни соединялись с другими, образуя пучки, а затем и целую сеть уранитовых наностержней.

По словам авторов, работа доказывает образование переходной нанокристаллической структуры соединений урана. Полученные результаты могут пригодиться как для разработки способов разделения изотопов урана из-за их различий в кинетике перехода между жидкой и твердой фазами, так и в понимании процессов, происходящих с отходами ядерного топлива на молекулярном уровне, а также для удаления урановых загрязнений методом восстановления до нерастворимых форм.

Уран очень токсичен для человека, он может попадать в организм через вдыхаемый воздух, пищу или воду. Около двух третей выводится, однако оставшаяся часть запасается в костях. В прошлом году китайские ученые синтезировали вещество, способное эффективно выводить соединения урана из организма.

Алина Кротова