Le verre au silicate a de nombreuses applications, y compris l'utilisation comme forme de déchet nucléaire pour immobiliser les éléments radioactifs du combustible usé. Cependant, il présente un inconvénient :il se corrode au contact de solutions aqueuses. Les scientifiques de l'Université de Bonn ont pu observer en détail quels processus ont lieu. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Matériaux naturels .

Les minéralogistes et géochimistes de l'Université de Bonn ont utilisé la spectroscopie confocale Raman pour leur étude, dans lequel un faisceau laser est focalisé sur un échantillon à travers un microscope. La lumière interagit avec les molécules du matériau, les faisant vibrer. Les photons rétrodiffusés individuellement changent de couleur en fonction de la structure et des propriétés chimiques de l'échantillon. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Raman. La lumière à l'origine monochromatique contient désormais également d'autres composants de couleur. Le spectre de couleurs fournit des informations détaillées sur la structure et la composition de la matière excitée par le faisceau laser.

Notamment, le laser peut être focalisé sur un point précis de l'espace avec une précision de quelques millièmes de millimètre. Cela facilite l'étude de l'échantillon point par point, mais pas seulement en surface :Si l'échantillon est transparent, le faisceau peut également être focalisé dans des zones internes. "Et c'est exactement ce que nous avons fait, " explique le professeur Thorsten Geisler-Wierwille de l'Institut des géosciences et de la météorologie de l'Université de Bonn.

Couche d'opale à la surface du verre

Les chercheurs ont utilisé un petit morceau de verre de silicate comme échantillon qui a réagi avec une solution aqueuse dans un récipient de chauffage spécialement développé. Il était possible de déplacer le vaisseau par pas d'un millième de millimètre sous le microscope Raman - vers la droite, la gauche, effronté, et en arrière, mais aussi de haut en bas. "Nous avons scanné le verre point par point et enregistré un spectre Raman pendant qu'il réagissait avec la solution, " dit Lars Dohmen, qui termine actuellement son doctorat sous la direction de Geisler-Wierwille. "Cela nous a permis d'étudier la réaction presque en temps réel. Cela fonctionne actuellement à des températures allant jusqu'à 150 degrés, lequel, par exemple, sont également attendus dans un dépôt nucléaire.

Les résultats indiquent que le verre de silicate se dissout rapidement lorsqu'il entre en contact avec des solutions aqueuses, presque comme un morceau de sucre dans une tasse de café. Cependant, tandis que les molécules de sucre sont rapidement réparties uniformément dans l'eau par diffusion, ce n'est pas le cas lors de la corrosion du verre :une partie de la silice dissoute résultante semble rester près de la surface du verre. A un moment donné, sa concentration devient si élevée qu'elle se solidifie.

« On parle alors aussi de précipitation de silice, " explique le professeur Geisler-Wierwille. " Les molécules de silice dans la solution s'imbriquent pour former des agrégats de quelques millionièmes de millimètre seulement, qui se déposent à la surface du verre et mûrissent dans un état semblable à celui de l'opale." Cependant, les chercheurs ont pu montrer que cette couche d'opale n'offre pas une protection parfaite contre l'eau. Au lieu, le front de dissolution-précipitation continue de ronger le verre. Par conséquent, le verre est progressivement remplacé par l'opale, bien qu'à une vitesse décroissante. "Pour la première fois, nous avons démontré expérimentalement qu'une solution limite avec de la silice dissoute se forme entre la couche d'opale et le verre sous-jacent, " explique Geisler-Wierwille. " Au fur et à mesure que l'épaisseur de la couche d'opale augmente, il empêche de plus en plus le transport de la solution de silice hors de l'interface réactionnelle. "Nous soupçonnons qu'il finit par se gélifier en une masse visqueuse, ce qui ralentit considérablement la dissolution du verre."

Dans l'étude, c'était déjà le cas après 25 millièmes de millimètre. « Même si la réaction est devenue très lente, il n'est pas exclu que ce processus de corrosion libère des éléments radioactifs sur de longues périodes de temps, " souligne Geisler-Wierwille. Cependant, les verres utilisés pour la vitrification des déchets nucléaires sont de loin plus stables à l'eau que le verre étudié. « Nous souhaitons étendre nos expérimentations à ces types de verre dans un futur proche, " souligne le chercheur. Des études avec du verre de silicate dans lequel des éléments radioactifs sont déjà incorporés sont également prévues. Les chercheurs et leurs partenaires veulent étudier l'influence des dommages d'auto-irradiation dans le verre sur sa résistance à la corrosion. " Les travaux en cours devraient principalement prouver que notre nouvelle méthode peut fournir des informations approfondies sur ces processus, " dit Geisler-Wierwille.

Le niveau d'intérêt manifesté par l'industrie pour ce travail se reflète également dans le financement du projet pilote :l'un des sponsors de l'étude est le célèbre fabricant de verre Schott AG.