Кубанский государственный технологический университет

Стекло способно восстанавливаться после облучения

04-11-2011
Повреждение в стекле, полученное при облучении электронами, затягивается само собой за пару минут (изображение из статьи в Physical Review Letters)

Известково-силикатные стекла способны за несколько минут устранять микроразрушения, полученные ими при облучении электронным пучком. Открытие окажется полезным для технологии безопасного хранения радиоактивных материалов.

Стекло — твердый, но очень хрупкий при комнатной температуре материал. Если стекло подвергнуть механической нагрузке, то из-за одной-единственной микроскопической трещинки стекло рассыпается на осколки. Затянуться, рассосаться само собой механическое повреждение, будь оно даже нанометрового размера, не сможет.

Повреждения в материалах можно создавать не только механически, но и радиационно, с помощью облучения пучками ионов, электронов или электромагнитных волн, например жесткого ультрафиолета.

Характер этих повреждений зависит как от типа материала, так и от параметров облучения (см., например, недавнюю заметку Жесткое облучение и высокие давления приводят к необычным превращениям вещества).

Многочисленные эксперименты с облучением стекол показали, что их характеристики заметно меняются после радиационной нагрузки. Появились даже технологические процессы, использующие необратимые изменения стекла при облучении. При этом во всех случаях считалось само собой разумеющимся, что из-за характерной «неподвижности» молекул стекло не способно «залечивать раны» после облучения, по крайней мере при обычных температурах. Стекло, по сути, рассматривалось лишь как пассивное вместилище повреждений.

В свете этого кажется поразительным недавнее открытие американских физиков, опубликованное в статье K. A. Mikhoyan et al., Physical Review Letters, 96, 205506 (26 May). С помощью филигранного эксперимента они доказали, что в определенных случаях стекло восстанавливается полностью после довольно серьезных дефектов, полученных при облучении электронным пучком.

Оказалось, что на такие чудеса способно не любое стекло, а известково-силикатное стекло определенного состава: (CaO–Al2O3)0,9(2SiO2)0,1. Существенное отклонение от этих пропорций лишает стекло дара «самозаживления». В экспериментах американцев тонкий скол такого стекла подвергался действию электронного пучка, сфокусированного до диаметра в несколько нанометров. Как в процессе облучения, так и после него бомбардируемый электронами участок изучался с помощью двух приборов: электронного темнополевого детектора, чувствительного к общему распределению вещества в образце, и электронного спектрометра, который позволял изучать химический состав стекла непосредственно в зоне облучения.

Данные темнополевого детектора показали, что в процессе облучения вещество частично «вымывалось» из области действия луча и оседало на краях поврежденной зоны. Однако после выключения луча вещество послушно возвращалось обратно, и спустя пару минут уже не оставалось ни малейшего намека на какие-либо повреждения.

Более детальную информацию о происходящих внутри стекла процессах дал спектрометр. Оказалось, что мигрирует не весь материал стекла, а только ионы кальция. При облучении электронами они срываются со своих мест, перемещаются на поразительно большие для аморфного вещества расстояния в несколько десятков атомных размеров, терпеливо ожидают там выключения пучка, а затем возвращаются на свои места. Внутри же облучаемой области атомы кислорода, которые ранее были связаны с кальцием, становятся свободными и связываются друг с другом, образуя молекулярный кислород O2. Этот процесс затрагивает также и остальные компоненты, разрушая связи Al–O и Si–O, то есть полностью меняя структуру стекла. Однако как только ионы кальция возвращаются, кислород вновь послушно соединяется с ними, полностью восстанавливая исходную структуру.

Авторы полагают, что всей этой цепочкой превращений управляют обычные электростатические силы. Электронный пучок, проходя через вещество, выбивает встречающиеся на пути электроны (но не сами атомы!). Из-за этого зона повреждения становится положительно заряженной и возникает электрическое поле порядка мегавольта на метр. Под действием него положительные ионы кальция отрываются от кислорода и выталкиваются прочь, а внутри зоны начинается пересоединение химических связей. После выключения пучка, ионы кальция начинают диффундировать обратно (впрочем, авторы признают, что не понимают до конца, как именно происходит этот процесс) и воссоединяются с кислородом.

Кстати, последний шаг в процессе заживления радиационных повреждений — восстановление первоначальной химический структуры — далеко не тривиален. Например, если взять стекло не с 10-процентным, а с 33-процентным содержанием кремнезема, то полного восстановления не будет. Как показали опыты, в этом случае заметная часть кислорода так и остается в виде молекул O2. Вкупе с результатами уже давних опытов с аморфным кварцем (чистым SiO2), который вообще не восстанавливается после облучения, это означает, что повышенная концентрация кремнезема слишком сильно захватывает свободные кислородные связи и не дает восстановиться первоначальной структуре.

Авторы подчеркивают, что способность стекла полностью устранять радиационные повреждения обязана оптимальной пропорции между различными компонентами. Кальция, кислорода, кремнезема было ровно столько, сколько нужно для плавного протекания всех этапов «заживления». При отклонении от этих пропорций эффект теряется, и, возможно, именно поэтому на данное явление ученые наткнулись только сейчас.

Обнаруженное свойство известково-силикатных стекол критически важно для технологий хранения радиоактивных материалов. Оно означает, что в таком стекле радиационные повреждения не накапливаются со временем, по крайней мере под действием бета-излучения. Не исключено, что с этого момента начнется новая глава в технологии безопасного захоронения бета-радиоактивных материалов.

См. также: A fresh look at glass, PhysicsWeb.org, 01.06.2006.

Игорь Иванов

‹‹