Химики МГУ из вместе с коллегами из Германии, Франции и Швеции проанализировали наночастицы оксида плутония и раскрыли загадку процесса их образования. Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscale.

При уменьшении размеров частиц до нескольких нанометров у них начинаются появляться оптические, электронные и механические свойства, несвойственные макрообъектам. Наночастицы радиоактивных элементов, например, приобретают большую реакционную и миграционную способность в геологической среде. Многие из них могут попадать в окружающую среду и наносить вред людям. Поэтому важно знать, как образуются эти частицы и какими свойствами обладают.

Радиохимики МГУ ранее уже проводили эксперименты по сорбции плутония на гематите — триоксиде железа. Тогда исследователи обнаружили, что плутоний не просто сорбируется на минерале, а образует кристаллические наночастицы оксида PuO₂. После этого ученые целенаправленно синтезировали серию частиц оксида плутония из растворов солей с разными степенями окисления металла (+3, +4, +5). Оказалось, что независимо от исходной степени окисления плутония и pH раствора, в результате реакции получаются практически идентичные наночастицы диаметром примерно три нанометра.

«Мы не ставили перед собой цель получить наночастицы определенного размера. Из других исследований известно, что для оксида плутония размер приблизительно три нанометра — не единственный, частицы бывают и больше. Необычно то, что мы получили одни и те же частицы при разных условиях, что нехарактерно для других актиноидов», — рассказал один из авторов работы, аспирант МГУ Евгений Гербер.

Российские ученые проанализировали наночастицы с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и электронной дифракции. Зарубежные коллеги использовали другие методы структурного анализа и смогли получить информацию о локальной и электронной структуре частиц и расположении соседних атомов по отношению к исследуемому. Методом HEXS (High-Energy X-ray Scattering) химики рассчитали размеры наночастиц и показали, что их структура соответствует диоксиду плутония.

«Для плутония и других актиноидов формулы оксидных наночастиц часто записывают как ЭO_2±x, тем самым показывая, что в них присутствует металл в нескольких степенях окисления. Мы доказали, что в наночастицах есть только четырехвалентный плутоний. Кроме того, для наночастиц многих актиноидов характерно наличие поверхностных групп, что приводит к образованию связей Э-OH, Э-H₂O. Нам удалось показать, используя комбинацию методов, что на поверхности и во внутренней структуре отсутствуют такие связи», — подвел итог Гербер.