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自然-材料:玻璃腐蚀—锐化的界面 精选

已有 7935 次阅读 2015-2-20 20:27 |个人分类:2015年寒假日记|系统分类:科研笔记| 腐蚀, 玻璃, 耐久性, 自然-材料, 扩散机制

   2015年2月20日《自然-材料》发表了Andrew Putnis的评论《玻璃腐蚀:锐化的界面(Glass corrosion: Sharpened interface)》(Nature Materials 14, 261–262(2015))介绍了Hellmann工作进展Nanometre-scale evidence for interfacial dissolution–reprecipitation control of silicate glass corrosion(Hellmann, R.et al. Nature Mater.14, 307311 (2015))

   

   核电厂核放射性核废料的处置一直面临严峻科学和社会上的挑战。为防止核废料的核释放,需要让它们与环境隔离成百上千年。最可行的方式是将它们放置在化学和力学稳定性良好的固体物当中。


   硼硅酸盐玻璃就是这样一种可固定的材料。有关长期储存的主要争论是玻璃的化学耐久性。因为它可能会与地下水接触,从而出现腐蚀。


   该研究报道了这一腐蚀问题研究的进展。即:在50℃的脱离子水中,硼硅酸盐玻璃位于化学腐蚀表面和未腐蚀的本体之间形成清晰界面sharp interface)。这一研究挑战了众所周知的玻璃耐久性扩散机制。


   玻璃腐蚀产生多孔的富硅边界层(rim)—称为变化层(alteration layer )。这是由于玻璃网状改性剂(glass-network modifiers)的贫乏,反应界面从表面向未变化的玻璃(pristine glass)迁移。(界面)迁移速率随时间而降低。


   因此,有两种不同的解释( interpretation)。第一,形成的多孔变化层在腐蚀溶液中逐渐产生结构性重组( structural reorganization),降低了孔隙率和渗透率。未参与反应的玻璃因此被周围溶液孤立。第二,周围的溶液可能产生硅饱和,达到平衡条件,降低反应驱动力,从而降低界面迁移速率。

    然而,最近的研究表明,界面反应速率与溶液中硅浓度无关。焦点在于控制反应速率的变化层。广泛接受的观点是可溶性的离子在玻璃中扩散至本体结构,被溶液中的氢置换。形成的富硅的残余物在变化层中最终再聚合(repolymerize)。


   Hellmann质疑变化层如何形成的,证实这种化学成分的扩散机制不存在。详见Hellmann, R.et al. Nature Mater.14, 307311 (2015).


 

 





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