Термическое поведение марганцевых минералов станет ключом к созданию материалов для захоронения радиоактивного цезия

Ученые впервые показали, как при нагревании меняется кристаллическая структура слоистых титаносиликатов — минералов куплетскита и цезийкуплетскита. Оказалось, что под действием температуры в кислородной среде марганец, содержащийся в минералах, теряет электроны, а также из минералов «уходит» вода. В результате кристаллы куплетскита и цезийкуплетскита сжимаются. Полученные данные расширяют представления о физических свойствах титаносиликатов, содержащих цезий, и потенциально позволят использовать эти минералы для захоронения радиоактивного цезия. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Minerals.

Куплетскит и его цезий-содержащий аналог — цезийкуплетскит — слоистые минералы, природные титаносиликатные соединения. Они имеют пористую структуру, образованную чередующимися молекулярными слоями двух типов. Одни слои сложены из атомов марганца с примесью железа и магния, другие — из титана и кремния. В пространстве между этими слоями находятся крупные катионы — положительно заряженные ионы, например цезий.

Цезиевые минералы довольно редкие в природе, поэтому цезийкуплетскит привлекает внимание ученых как природный концентратор цезия — элемента, широко использующегося в химической промышленности, нефтедобыче, радиационных детекторах и фотонике. Помимо этого, куплетскит и цезийкуплетскит интересны как потенциальные прототипы материалов с перспективными сорбционными (поглощающими) свойствами по отношению к цезию. Радиоактивный изотоп цезия (цезий-137) — один из главных загрязнителей окружающей среды при радиационных катастрофах, поэтому исследование атомного строения подобных минералов-концентраторов цезия в области повышенных температур важно для разработки технологий перевода его в стабильную минералоподобную форму.

Ученые из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский) с коллегами впервые описали поведение двух минералов группы куплетскита — без цезия и с этим элементом в составе — при высоких температурах. Образцы минералов нагревали до 1000℃ — порога, до достижения которого в большинстве минералов происходят структурные преобразования. Изменения, вызванные нагревом, исследователи регистрировали с помощью рентгеновской дифрактометрии — метода, позволяющего установить структуру образца по его способности отражать рентгеновские лучи.

Оказалось, что при нагревании до температуры 500℃ кристаллические структуры минералов расширялись, после чего происходило их резкое сжатие. Детальное исследование показало, что это сжатие связано с окислением — отдачей электронов — марганца, которое сопровождается потерей воды соединением. Таким образом, авторы впервые установили, что окисление марганца под воздействием температуры происходит подобно процессам, связанным с окислением железа, и сопряжено с «обезвоживанием» минерала. Учитывая широкое распространение реакций окисления железа в породообразующих минералах — амфиболах, турмалинах, слюдах и глинах, — можно предположить подобное поведение и для их марганцевых аналогов.

По аналогии с реакциями окисления железа авторы предположили, что окисление марганца может происходить в горных породах при повышенных температурах и давлениях, хотя и в более локальном масштабе, чем для железа, из-за ограниченного распространения богатых марганцем пород. Присутствие «потерявших воду» минералов (или их разновидностей) с окисленным марганцем может также указывать на их нагрев до температуры выше 500°C в кислородной среде.

Описанные авторами особенности не только дополнили знания о физических свойствах минералов, но и расширили представления о процессах, протекающих в них при нагревании. Подобные процессы происходят при преобразовании минералов в глубинных оболочках Земли и при их технологической обработке. Полученные данные потенциально могут использоваться в горной промышленности при добыче соединений марганца и цезия.

«Наши результаты также могут быть полезны при создании материалов, избирательно "‎поглощающих"‎ цезий, в том числе при производстве керамик для захоронения радиоактивного цезия. В дальнейшем мы планируем провести обобщающие исследования по расшифровке механизмов, действующих на атомном уровне, при нагреве титаносиликатных минералов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Житова, кандидат геолого-минералогических наук, заведующая лабораторией минералогии Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН.

В исследовании участвовали сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Института геохимии имени А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск), Университета Манитобы (Канада) и Геологического института Кольского научного центра РАН (Апатиты).