مقالة منهجية

التحليل الطيفي للخلايا السائلة رامان لدراسات العمليات لظواهر التفاعل والنقل أثناء تآكل زجاج السيليكات

1.6K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/67763

⸱

مايو 9, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Geosciences, University of Bonn

في هذه المقالة

ملخص

يتيح التحليل الطيفي رامان للخلايا السائلة (FCRS) في عمليات الرصد لظواهر التفاعل والنقل أثناء التآكل المائي لزجاج السيليكات على المستوى المجهري ، وفي درجات حرارة مرتفعة ، وفي الوقت الفعلي. دون مقاطعة العمليات الجارية ، يوفر FCRS معلومات حول آليات التفاعل والحركية وعمليات النقل.

الملخص

يتيح التحليل الطيفي رامان للخلايا السائلة (FCRS) دراسة آليات التفاعل والحركية وتفاعلاتها المتبادلة مع عمليات النقل أثناء تآكل زجاج السيليكات على مقياس الميكرومتر وفي درجات حرارة مرتفعة. توفر هذه المخطوطة بروتوكولا مفصلا لإعداد تجربة FCRS ، يتجلى في تجربة التآكل مع زجاج بورسليكات Na ثلاثي ومحلول NaHCO3 0.5 M عند درجة حرارة 86 ± 1 درجة مئوية. يتضمن البروتوكول (1) تحضير العينة ، (2) تجميع الخلية السائلة ، و (3) إعداد معلمات قياس رامان لجمع أطياف رامان عبر واجهة العينة / المحلول في فترات زمنية منتظمة. تظهر نتائج التجربة تكوين منطقة غنية بالمياه بين طبقة تغيير السطح القائمة على السيليكا (SAL) والزجاج البكر ، وهي سمة جوهرية لنموذج الذوبان والترسيب المقترن بالواجهة لتشكيل SAL أثناء تآكل زجاج السيليكات. تمثل القدرة على تتبع عمليات التفاعل والنقل أثناء تآكل زجاج السيليكات وربما المواد الشفافة الأخرى ، التي تم حلها مكانيا وفي الوقت الفعلي ، قوة فريدة لهذه التقنية ، حيث تتغلب على عيوب التحليل التقليدي لتجارب التبريد متعددة الخطوات. يمثل تآكل الجانب العلوي من العينة الزجاجية مشكلة حالية ، مما يقلل من الدقة المكانية في العمق بسبب هطول الأمطار داخل مسار الليزر. يحدث هذا بسبب فجوة مملوءة بالمحلول بين نافذة الياقوت لغطاء خلية السائل والجانب العلوي من المتراصة ، والتي يصعب تجنبها أثناء الإعداد التجريبي. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند اختيار العمق الذي يجب أن يتم القياس به. في حالات قليلة ، لوحظ تكوين فقاعات هواء ، مما أدى إلى تعطيل أو حتى إنهاء التجربة. ومع ذلك ، يمكن تجنب ذلك عن طريق إعداد التجربة بعناية ، الأمر الذي يتطلب القليل من الممارسة.

المقدمة

تمثل زجاجات السيليكات مواد غير مستقرة معرضة للتآكل المائي بواسطة بخار الماء في الغلاف الجوي أو الماء السائل في البيئات الهندسية والتطبيقات التكنولوجية مثل أنظمة تحويل الطاقة الشمسية1 ، والاستخدام الصيدلاني2 ، وتثبيت النفايات النووية عالية المستوى من الوقود النوويالمستهلك 3 ، 4 ، 5. إلى جانب دورها في المجالات التكنولوجية للتطبيق ، تمثل النظارات البركانية الطبيعية مكونا رئيسيا لسطح الأرض المكشوف ، وبالتالي فهي تشارك في الدورات البيوجيوكيميائية العالمية وتطور المناخ طويل الأجل6،7. يعد التغيير الجوي بواسطة بخار الماء عاملا رئيسيا في كل من التطبيقات التكنولوجية والبيئات الطبيعية. يعد تمييز هذا التأثير عن تأثير التغيير بواسطة الماء السائل أمرا مهما حيث تختلف نسبة السطح إلى الحجم (S / V) للزجاج إلى المحلول اختلافا كبيرا 8,9. ومع ذلك ، يركز العمل الحالي على سلوك تآكل زجاج السيليكات في الماء السائل. عندما يتلامس الزجاج مع محلول مائي ، يحدث عدد من عمليات التفاعل والنقل المقترنة في واجهة الزجاج / الماء ، وتشكل بشكل عام طبقة تغيير سطحية معقدة هيكليا (SAL). ومع ذلك ، فإن الآليات والحركية والعوامل التي تحد من معدل تآكل زجاج السيليكات لا تزال موضع نقاش مكثف ، وهو ما ينعكس في وجود نماذج تآكل مختلفة5،10،11،12،13. لذلك ، فإن فهم التفاعل المعقد بين عمليات التفاعل والنقل في واجهة الزجاج / الماء في الزمان والمكان وعلى المستوى المجهري أمر أساسي لتطوير النماذج التحليلية والعددية التي تتنبأ بتآكل زجاج السيليكات على المدىالطويل 14.

يفترض أحد النماذج المقبولة على نطاق واسع أن SAL يشكل بحجم انتشار الهيدرونيوم من المحلول داخل الزجاج ومعدلات الشبكة من الزجاج داخل المحلول (الترشيح), حيث تشكل مجموعات السيلانول بالتبادل مع الكاتيونات15,16. في سياق التفاعل ، من المفترض أن مجموعات السيلانول تتحد ، وتطلق الماء الجزيئي عن طريق تكوين روابط سيلوكسان جديدة وتترك وراءها في النهاية بقايا SAL مسامية غنية بالسيليكا (الشكل 1 أ). ومع ذلك ، كشفت النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها عن طريق التصوير المقطعي للمسبار الذري والفحص المجهري الإلكتروني للإرسال عن واجهة حادة ذريا بين الزجاج و SAL14،17،18 ، والتي تتناقض مع عملية يتم التحكم فيها بالانتشار. بالإضافة إلى ذلك ، لا تتوافق النتائج الجديدة لتجارب تتبع النظائر مع نموذج الترشيح19،20. بدلا من ذلك ، يمكن تفسير هذه الملاحظات من خلال نموذج الذوبان والترسيب المقترن بالواجهة (ICDP) الذي يعتمد على الذوبان المتكافئ للزجاج مكانيا وزمانيا مقترنا بهطول السيليكا غير المتبلورة بمجرد تشبع طبقة حدود المحلول على سطح الزجاج فيما يتعلق بالسيليكا 5،21،22. في الآونة الأخيرة ، تم توسيع نموذج ICDP ليشمل منطقة تبادل الأيونيات التي قد تتطور قبل جبهة ICDP إذا تباطأ معدل الذوبان وهطول الأمطار بشكل كبير23 (الشكل 1 ب). للحصول على مراجعة أكثر تفصيلا لمزيد من النماذج التي تفكر في تشكيل SAL ، راجع أطروحة الدكتوراه ل M. Fritzsche24.

تتبع تجارب التآكل التي يتم إجراؤها بشكل شائع سير عمل متعدد الخطوات ، بما في ذلك تجربة التغيير نفسها ، والتبريد (التبريد السريع) ، والتجفيف ، والنشر ، والتلميع لعينة الزجاج المعدلة لتحليل ما بعد الوفاة 15،19. ومع ذلك ، فإن هذا أمر بالغ الأهمية لأنه قد يغير الخصائص الهيكلية والكيميائية لمنتج التآكل الرئيسي ، أي SAL غير المتبلور المائي القائم على السيليكا ، بسبب التكثيف و / أو البلمرة ، وفقدان الماء (الجفاف) و / أو التشقق والتفكيك15،19،25. في الأنظمة المعقدة كيميائيا (الزجاج والمحاليل متعددة المكونات) ، قد يؤدي تبريد العينة وتجفيفها أيضا إلى ترسيب المعادن الثانوية التي لا تشارك في التفاعل نفسه. إلى جانب ذلك ، تمثل العينة المروية نقطة زمنية واحدة فقط لعملية تآكل الزجاج ، مما يتطلب جهدا كبيرا لاشتقاق معدلات إذابة الزجاج ومعلومات حول آلية (آليات) التفاعل من تجارب التبريد المتعددة26. لذلك ، فإن معظم البيانات الحركية لتآكل الزجاج التي تم الحصول عليها أثناء تجارب تآكل الزجاج من تحليلات الاقتباس للمحلول السائب أقل إفادة لدراسة آليات التفاعل وعمليات النقل المصاحبة أثناء تآكل زجاج السيليكات.

للتغلب على عيوب التجارب خارج الموقع ، بما في ذلك تحضير العينات وتحليل ما بعد الوفاة ، اكتسبت التقنيات في الموقع اهتماما متزايدا على مدى السنوات الماضية27،28. على سبيل المثال ، أصبح الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) وقياس تداخل المسح الرأسي (VSI) أدوات حيوية لدراسة الأسطح المعدنية التي تتلامس مباشرة مع المحلول المائي27،29. ومع ذلك ، يقتصر كلا النهجين على دراسة الخطوات الأولى لعملية التآكل ، أي حتى تتشكل طبقة ثانوية تعيق التحقيق في واجهة الزجاج / SAL28،30. يتغلب التحليل الطيفي لرامان الخلية السائلة (FCRS) على أوجه القصور المذكورة أعلاه من خلال توفير ملاحظات في الوقت الفعلي والمكان (operando) لعمليات التفاعل والنقل في واجهات صلبة / محلول على نطاق مجهري وفي درجات حرارة مرتفعة إذا كانت مرحلة (مراحل) الأصل والمنتج شفافة للضوء المرئي (الشكل 2). أجريت دراسات FCRS الأولى بواسطة Geisler et al.5 ، الذين حققوا في سلوك التآكل المائي لزجاج البورسليكات الثلاثي (TBG) في محلول NaHCO3 0.5 M ، أي في ظل ظروف الأس الهيدروجيني شبه المحايدة عند 85 درجة مئوية. لوحظ تكوين منطقة غنية بالمياه بين SAL والزجاج البكر ، وهي سمة جوهرية لنموذج ICDP. باستخدام محلول البيكربونات ، يمكن أيضا الكشف عن تدرجات الأس الهيدروجيني على سطح الزجاج وداخل SAL عن طريق تقدير الأس الهيدروجيني المحلي من نسبة شدة نطاق الكربونات والبيكربونات (c.f.5). علاوة على ذلك ، دون الإخلال بعملية التآكل المستمرة ، أظهر التبادل مع محلول deuterated أن نقل المياه عبر SAL لم يكن خطوة تحد من المعدل لعملية التآكل. باختصار ، أظهر هذا العمل قوة FCRS لتحديد آليات التفاعل الرئيسية والتغذية الراجعة على ظواهر النقل في تجربة واحدة في ظل ظروف جيدة الخاضعة للرقابة.

أظهرت تجارب FCRS اللاحقة أيضا أن هذه الطريقة مناسبة للاستخدام الروتيني ، مما ينتج عنه نتائج متسقة وقابلة للتكرار24،31،32. على سبيل المثال ، تم تطبيق FCRS لدراسة تأثير تشعيع الأيونات الثقيلة على معدل الذوبان الأمامي لزجاج البورسليكات ، مما يدل على زيادة كبيرة في معدل الذوبان الأمامي بمعامل 3.7 ± 0.531. علاوة على ذلك ، وثقت تجارب FCRS التي أجريت على زجاج بوروألومينوسيليكات من الصودا والجير المحمل للصودا في محلول مفرط القلوية التحول المباشر للزجاج إلى طين المغنيسيوم والزيوليت والكربونات. وجد هؤلاء المؤلفون انخفاضا في معدل ذوبان الزجاج الأولي ، والذي يبدو أن حجمه مرتبط بتكوين وهيكل طبقة التغيير33. علاوة على ذلك ، تم استخدام التغييرات في شكل شريط الماء المعقد لمراقبة تشغيل القوة الأيونية ، مما يكشف عن التقلبات الإيقاعية32. أجرى Sulzbach و Geisler34 تجارب FCRS لدراسة استبدال السيلستين (SrSO4) بالسترونتيانيت (SrCO3) ، وكلاهما شفاف للضوء المرئي ، في محلول كربونات ، والذي قدم تفاصيل جديدة حول آلية ICDP وأعطى أول دليل على ثلاثة أنظمة حركية. في الآونة الأخيرة ، كجزء من أطروحة الدكتوراه24 ، تم توسيع الإعداد التجريبي ليشمل محطة تسخين خارجية ، مما يسهل الدراسات طويلة الأجل على مدى عدة أشهر باستخدام نظارات ذات متانة أعلى ، مثل الزجاج البسيط الدولي المكون من ستة مكونات (ISG) 14،24. لهذا الغرض ، تم تخزين خلية السوائل في محطة التسخين بين قياسات رامان المتتالية لتجنب حجب مطياف رامان لعدة أشهر. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء تجارب التدفق عن طريق توصيل خلية السوائل بمضخة حقنة. منع هذا النهج بشكل فعال ترسيب السيليكا ، مما سمح بقياس معدلات الذوبان الأمامية في ظل ظروف التدفق المضطرب (Fritzsche24).

بشكل عام ، يوفر FCRS نهجا جديدا لدراسة الآليات المقترنة للتفاعلات ونقل الكتلة الذي يحدث في واجهات الماء الصلب ، والتغلب على أوجه القصور في التجارب خارج الموقع المطبقة بشكل شائع. إنه قابل للتوسيع بسهولة لاستيعاب مجموعة واسعة من العينات والظروف. الهدف من هذه المقالة هو مشاركة التفاصيل الفنية والتجريبية للتحليل الطيفي لرامان للخلية السائلة ، والتي تتمثل في تجربة التآكل مع زجاج البورسليكات الثلاثي (TBG) ومحلول NaHCO3 0.5 M عند درجة حرارة اسمية تبلغ 90 درجة مئوية. سيغطي البروتوكول تحضير العينة ، وتجميع الخلية السائلة ، وإعداد ظروف القياس عند مطياف رامان. لتحديد معدل تراجع الزجاج ، وتدرج الأس الهيدروجيني المحتمل ، ودرجة الحرارة المحلية ، يشير المؤلفون إلى دراسة Geisler et al.5 و Sulzbach و Geisler34 بالإضافة إلى المواد التكميلية وأطروحة الدكتوراه ل Dohmen35 و Fritzsche24. سيتم تغطية الخطوات الحاسمة في إعداد التجربة ، مثل ملء الخلية وإغلاقها ، بنصائح إضافية حول كيفية تجنب تكرار مزالق العمل السابق. تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على هذه التقنية ، مما يسهل تنفيذها من قبل الوافدين الجدد إلى هذا المجال ويساهم في تقدم البحث في التفاعل بين السوائل الصلبة.

البروتوكول

1. تحضير العينة

ملاحظة: يمكن إجراء تجارب FCRS بمواد بلورية أو غير متبلورة طالما أن المرحلة (المراحل) الأصلية والمنتج شفافة للضوء المرئي ويحدث التفاعل عند درجة حرارة المحلول أقل من حوالي 100 درجة مئوية خلال نطاقات زمنية من الأيام إلى الأشهر5،24،30،31،33،35. يجب تحضير العينة على شكل متراصة مصقولة حوالي 10 × 10 × 0.9 مم3. يمكن أن يختلف حجم العينة بما يصل إلى بضعة مم. يمكن تعديل حامل عينة Polytetrafluoroethylene (PTFE) ، والذي يجب تصنيعه لكل تجربة ، وفقا لذلك (الشكل 3 أ). يتم إعطاء رسم فني لحامل PTFE المستخدم في الشكل التكميلي 1. في ما يلي ، يتم تحضير عينة من زجاج البورسليكات الصيد الثلاثي (TBG).

  1. قم بطحن قسيمة العينة الزجاجية بورق كربيد السيليكون (SiC) سعة 600 حصى على جانبين متقابلين حتى تتناسب مع حامل عينة PTFE. تأكد من تثبيت العينة بإحكام وعموديا قدر الإمكان في الحامل ، وقم بإزالة مادة PTFE المتآكلة بعناية.
    ملاحظة: من خلال إدخال قسيمة العينة بعناية في الحامل ، يكون تآكل PTFE ممكنا ، ولكنه يضمن أيضا وضعا مستقرا وضيقا للعينة.
  2. قم بتركيب حامل PTFE مع العينة في حامل عينة معدني أكبر استعدادا لطحن الجانب العلوي من القسيمة الزجاجية إلى نفس مستوى حامل PTFE.
  3. بمجرد أن تصبح العينة و PTFE وحامل العينة المعدنية في مستوى واحد تقريبا ، قم بطحن السطح بورق SiC أدق بقوة 1000 حبيبة رمية.
  4. قم بتنظيف العينة داخل الحامل أولا بالإيثانول ثم بالماء (يدويا باستخدام زجاجات الرش) وجففها بمساعدة مسدس الهواء المضغوط لإزالة أي حطام طحن (SiC).
    ملاحظة: من المحتمل أن يؤدي وجود جزيئات كربيد البكسل إلى إتلاف قطعة قماش التلميع ويمكن أن يزعج تحليل رامان اللاحق. يوصى باستخدام مناديل خالية من النسالة للتنظيف بالماء لمسح البقايا.
  5. قم بتلميع الجانب العلوي من العينة داخل حامل PTFE بمعجون ماسي 3 ميكرومتر و 1 ميكرومتر لمدة 20 دقيقة على الأقل. تأكد من أن سطح العينة الزجاجية وحامل PTFE يشكلان مستوى مصقول تماما لتمكين الاتصال المباشر بقرص الياقوت (الشكل 3 أ ، د).
    ملاحظة: هذا ضروري لتقليل مساحة السطح التفاعلية والفجوة بين نافذة الياقوت والعينة قدر الإمكان من أجل تقليل عمليات التآكل على الجانب العلوي من العينة. علاوة على ذلك ، فإن السطح العلوي المصقول جيدا للعينة يقلل من انكسار ضوء الليزر36،37،38.
  6. قم بتنظيف العينة وحامل PTFE كما هو موضح في الخطوة 1.4 واستخدم أيضا حماما بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 ثانية تقريبا بتردد 50-60 هرتز.
  7. افحص السطح الجانبي العلوي المصقول للزجاج والحامل تحت مجهر مجسمة بتكبير 10 مرات.

2. تحضير الحل المطلوب

  1. قم بقياس درجة الحموضة لمحلول 0.5 M NaHCO3 بعد موازنة المحلول مع الهواء المحيط بواسطة مقياس الأس الهيدروجيني. لإزالة الجسيمات الصلبة المحتملة ، قم بتصفية المحلول بفلتر حقنة معقم (حجم المسام 0.22 ميكرومتر) قبل الحقن مباشرة.
    ملاحظة: يتم تحضير المحلول بشكل شائع قبل يوم واحد من بدء التجربة. قبل بداية التجربة ، يتم قياس قيمة الأس الهيدروجيني ودرجة حرارة المحلول للتأكد من أن قيمة الأس الهيدروجيني متوافقة مع قيمة الأس الهيدروجيني المحسوبة نظريا للمحلول المتوازن.
  2. تأكد من أن الحل خال بصريا من فقاعات الهواء. حدد حجم المحلول بناء على حجم الخلية السائلة وتأكد من أنه كاف لاستعادة محلول كاف للتحليل الكيميائي في نهاية التجربة.

3. إعداد معلمات قياس رامان

  1. تأكد من معايرة مطياف رامان بمعيار تردد مناسب (على سبيل المثال ، نطاق الفونون البصري من الدرجة الأولى لبلورة واحدة من السيليكون بحد أقصى 520.7 سم -1). بالنسبة لتجارب FCRS ، استخدم مطياف رامان المجهز بليزر 532 نانومتر مع طاقة خرج عالية (> 1 واط) ، ومجهر بمرحلة xyz آلية بحجم خطوة ≤ 1 ميكرومتر ، وهدف مسافة عمل طويلة 100x (LWD) مع فتحة عددية عالية ، وشبكة أقل تشتتا (على سبيل المثال ، مع 600 أخدود لكل مم) لتغطية نطاق طيفي واسع ، مصباح نيون لتصحيح إزاحة مقياس الطيف أثناء القياسات طويلة المدى وشقوق مدخل متحد البؤر ومطياف قابلة للتعديل لتحسين الدقة المكانية والطيفية بشكل مستقل.
    تنبيه: يجب ارتداء نظارات السلامة بالليزر عند إجراء قياسات رامان الطيفية (تحقق من فئة الليزر). مع طاقة خرج تبلغ 1 واط أو أعلى ، يكون تأثير تشتت الضوء شديدا. ومع ذلك ، فإن طاقة خرج الليزر العالية هي شرط أساسي لإجراء تجارب FCRS عالية الجودة حيث يتم امتصاص الكثير من الضوء الأساسي على طول مسار الشعاع من خلال نافذة الياقوت والمحلول والمواد الصلبة.
  2. قم بإعداد معلمات قياس Raman في البرنامج.
    1. تحديد نطاقات النوافذ الطيفية لقياس خصائص أوضاع رامان للعينة والمحلول قيد الفحص. بالنسبة لعينة زجاج البورسليكات ، تتراوح النافذة الطيفية من 200 إلى 1735 سم -1. تتراوح النافذة الثانية من 2800 إلى 4000 سم -1 لقياس أنماط رامان الخاصة بالمياه الجزيئية ومجموعات السيلانول.
    2. إذا أمكن ، أغلق الفتحة متحدة البؤر إلى 600 ميكرومتر وافتح عرض شق مدخل مقياس الطيف إلى 200 ميكرومتر لتحسين دقة العمق على حساب الدقة الطيفية (ليست حرجة لنطاقات رامان العريضة نسبيا النموذجية للمواد والمحاليل غير المتبلورة).
    3. حدد وقت الاستحواذ الذي يحقق أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء ممكنة لدقة الوقت المطلوبة. للحصول على إشارة شدة كافية للزجاج والماء ، قم بقياس النوافذ الطيفية لمدة 7 ثانية و 2 ثانية ، على التوالي ، وتتراكم على مدى 5 جولات.
      ملاحظة: قد يحتاج وقت الاستحواذ إلى استيعاب التغييرات في التجربة مع التكيف مع التغييرات في هندسة العينة المتغيرة / الواجهة الصلبة / الماء المتطورة مع زيادة وقت التفاعل.
    4. ضع مصباح النيون بجانب مسار شعاع الضوء المتناثر.
      ملاحظة: مصباح النيون اختياري ولكن يوصى به كمعيار داخلي لتصحيح البيانات الخاصة بتحولات مطياف المحتملة بسبب التقلبات التي لا مفر منها في درجة حرارة الغرفة ، والتي ، مع ذلك ، يجب التحكم فيها بشكل أفضل في حدود ± 0.5 درجة مئوية (مما يتسبب في تقلبات مقياس الطيف تصل إلى ~ 0.2 سم -1). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام خطوط Ne لتحديد الدقة الطيفية24 تجريبيا.

4. تجميع خلية السائل

ملاحظة: الرسومات الفنية لمكونات الخلية السائلة المصنوعة من كيتون البولي إيثر (نظرة خاطفة) مذكورة في الشكل التكميلي 2 والشكل التكميلي 3.

  1. ضع غسالة السيليكون على غطاء الخلية السائلة المقلوبة ، ثم ضع نافذة الياقوت وحامل عينة PTFE بحيث يكون الجانب العلوي من العينة مواجها لنافذة الياقوت (الشكل 3B-D). قم بإصلاح موضع غسالة السيليكون ونافذة الياقوت والعينة باستخدام الغطاء اللولبي (الشكل 3E-F).
  2. قبل حقن المحلول التفاعلي ، قم بتنظيف الأنابيب والصمامات على كل جانب بالماء منزوع الأيونات. ثم قم بحقن الهواء لإزالة الماء داخل الأنابيب وإفراغ وعاء المفاعل.
  3. أدخل الحلقة O في الأخدود المقدم.
  4. حقن المحلول من جانبي المفاعل حتى يتم تغطية مخرج الأنبوب داخل المفاعل بالكامل. أغلق الصمامات قبل إزالة المحقنة لمنع تراكم الهواء داخل الأنبوب أو الصمامات.
  5. أضف المحلول المتبقي من أعلى وعاء المفاعل حتى يشكل المحلول سطحا محدبا (الغضروف المفصلي).
  6. املأ المساحات الخالية لغطاء تثبيت العينة عن طريق تقطير المحلول بعناية على طول الجانبين الأيمن والأيسر من قسيمة العينة. افحص الغطاء المملوء بحثا عن جيوب هوائية محتملة.
  7. أدر الغطاء لوضعه فوق وعاء المفاعل وأغلق الخلية في أسرع وقت ممكن باستخدام 6 براغي. شد البراغي بالعرض.
    ملاحظة: في حالة وجود حاوية هواء ، قم بإزالة الغطاء وأعد ملء الخلية والغطاء. تمثل خلية السائل المغلقة نظاما ثابتا وتوفر نظام نقل منتشر بحت في المحلول. بالنسبة لتجارب التدفق ، من الممكن توصيل الخلية بمضخة حقنة24.
  8. من المتوقع أن يتسرب المحلول على حافة الخلية. نظف الخلية من الخارج لإزالة المحلول الذي تسرب من الحواف.
  9. قم بتركيب الخلية السائلة على مرحلة xyz وقم بتوصيل الخلية بمرحلة التسخين. قم بتشغيل مرحلة التسخين واضبط درجة الحرارة الاسمية المطلوبة (هنا 90 درجة مئوية). يستغرق التسخين ، على سبيل المثال ، حوالي 14 دقيقة للوصول إلى درجة حرارة اسمية تبلغ 90 درجة مئوية.
    ملاحظة: يتم تقديم وصف مفصل لإلكترونيات السخان في الشكل التكميلي 4. لاحظ أيضا أنه بسبب تدرج درجة الحرارة في خلية السوائل ، تكون درجة الحرارة الحقيقية في عمق القياسات أقل. عند استخدام محلول البيكربونات ، يمكن تحديد درجة الحرارة في أي عمق للقياس من موضع شريط البيكربونات بالقرب من 1016 سم -1 (راجع ، جيسلر وآخرون 5). بالنسبة لتركيبات المحلول الخالية من الكربونات الأخرى ، نقدر درجة الحرارة عند نقطة القياس باستخدام تدرج درجة الحرارة المحدد تجريبيا داخل الخلية السائلة24.

5. تحديد حجم الفجوة بين نافذة الياقوت والجانب العلوي من العينة وموضع واجهة العينة / الحل

  1. بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة الاسمية ، ركز شعاع الليزر على نافذة الياقوت من خلال المجهر البصري في وضع الفيديو.
    ملاحظة: يحدث إلغاء التركيز البؤري لبقعة الليزر حتما أثناء التسخين حتى درجة الحرارة الاسمية المطلوبة بسبب التمدد الحراري الطفيف للعينة ومواد الخلايا السائلة. بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة الاسمية ، يستقر التركيز بعد بضع دقائق. يمكن التحكم في ذلك باستخدام وضع الفيديو.
  2. حرك تركيز الليزر على الجزء العلوي من نافذة الياقوت المركزية على السطح في الاتجاه x و y للتأكد من أنه فوق العينة. اضبط موضع z (العمق) على صفر كمرجع.
  3. حرك تركيز الليزر في الاتجاه z حتى تظهر إشارات رامان الأولى لأنواع الماء أو المحلول ، مثل ، على سبيل المثال ، HCO3- و CO32- (الشكل 4).
    ملاحظة: إذا كانت متوفرة، يمكن أن تكون وظيفة قياس النقاط المتكررة باستمرار (على سبيل المثال، وظيفة العرض في الوقت الفعلي في برنامج LabSpec 6) أداة مفيدة للغاية لتحديد حجم الفجوة بين سطح العينة العلوي ونافذة الياقوت، بسرعة.
  4. حرك تركيز الليزر لأسفل حتى يتم اكتشاف طيف نقي لعينة الزجاج باستخدام وظيفة العرض في الوقت الفعلي. يشار إلى هذا الموضع على أنه الجانب العلوي من العينة.
  5. حرك تركيز الليزر إلى أبعد من ذلك في الاتجاه z إلى العينة (> 50 ميكرومتر لمعدلات تآكل الزجاج المرصودة).
    ملاحظة: الخطوة 5.5 مهمة لتجنب الإشارات المزعجة من التآكل المتوقع من الجانب العلوي من العينة. ومع ذلك ، قد يتعين زيادة عمق تركيز الليزر بمرور الوقت بسبب التآكل من أعلى العينة. العمق الفعلي أكبر في حدود عشرات الميكرومتر بسبب تأثيرات الانكسار المتعددة على طول مسير الحزمة37.
  6. حرك المرحلة في الاتجاه x لتحديد واجهة العينة / الحل بناء على شدة إشارة رامان المتناقصة والمتزايدة من العينة والمحلول ، على التوالي. كرر هذه الخطوة عن طريق مراقبة إشارة الشدة لأوضاع H2O Raman في الاتجاه x.
    ملاحظة: أظهرت التجربة أنه عندما يكون سطح العينة في زاوية قائمة مثالية لنافذة الياقوت ، لوحظ تغيير في إشارة الشدة أكثر من ~ 10 ميكرومتر في الاتجاه x ، وهو ما يتوافق مع الدقة الجانبية.
  7. قم بتعيين موضع واجهة العينة/الحل إلى x = 0. اضبط الحجم الإجمالي لمسح الخط على 100 ميكرومتر، يتراوح من -70 إلى 30 ميكرومتر في الاتجاه x بحيث يتم ضبط اتجاه المسح من العينة إلى المحلول السائب. بالنظر إلى تقدم التفاعل المتوقع ، يتم ضبط حجم الخطوة على 1 أو 2 ميكرومتر و
    ملاحظة: يقدم المسح الخطي قياسات نقطة واحدة في الاتجاه x لمراقبة واجهة الزجاج المتحرك / المحلول بمرور الوقت في موضع ثابت واحد في العمق (z) والاتجاه y. الوقت اللازم لكل مسح سطر هو مجموع (1) وقت العد ، (2) الوقت اللازم للانتقال إلى بقعة جديدة ، و (3) الوقت الذي يحتاج فيه مقياس الطيف للانتقال إلى نوافذ تردد مختلفة إذا كان لا بد من قياس نطاق تردد واسع ، على سبيل المثال ، منطقة التردد المنخفض (100 إلى 1735 سم -1) ومنطقة عالية التردد (2800 إلى 4000 سم -1). قد يلزم تمديد طول مسح الخط إلى العينة اعتمادا على تقدم التفاعل.
  8. ابدأ قياسات مسح الخط. بالنسبة لواجهة الزجاج / المحلول ، قم بتعيين مسح خطي بحجم خطي 100 ميكرومتر بحجم خطوة 2 ميكرومتر ، مع أخذ قياسات 51 نقطة في الاتجاه x. في كل نقطة ، يتم قياس النافذة الطيفية الأولى والثانية لمدة 7 ثانية و 2 ثانية ، على التوالي ، و 5 مرات متراكمة. يتم تكرار مسح الخط تلقائيا عبر واجهة الزجاج المتحرك / المحلول لعدة أيام إلى أسابيع ، ومراقبة ذوبان الزجاج وهطول الأمطار لطبقة تغيير السطح القائمة على السيليكا (SAL).

النتائج

في ما يلي ، يتم توضيح السمات الرئيسية للمنهجية من خلال نتائج تجربة التآكل مع عينة من زجاج البورسليكات الصوديوم الثلاثي (TBG) ومحلول 0.5 M NaHCO3 عند درجة حرارة اسمية تبلغ 90 درجة مئوية ، أي نفس الظروف لتجارب Geisler et al.4. كانت درجة الحرارة الفعلية عند عمق القياس 86 ± 1 درجة مئوية ، كما هو محدد من إزاحة التردد المعتمد على درجة الحرارة لنطاق البيكربونات بالقرب من 1016 سم -1 (عند درجة حرارة الغرفة)4. تم استخدام TBG بالفعل في تجارب FCRS السابقة24،30،31،35. أجريت التجربة باستخدام مطياف رامان متحد البؤر Horiba Scientific HR800 في معهد علوم الأرض بجامعة بون بألمانيا. تم تجهيز النظام بليزر Nd: YVO4 (532.11 نانومتر) مزدوج التردد بقدرة خرج تبلغ 2.2 واط وجهاز مشحون بمضاعف الإلكترون (الشكل 3 ب). تم استخدام هدف مسافة عمل طويلة 100x (LWD) بفتحة عددية تبلغ 0.8 ، وشبكة مطياف ب 600 أخدود لكل مم ، وثقب متحد البؤر يبلغ 600 ميكرومتر ، وعرض شق مدخل مطياف يبلغ 200 ميكرومتر. تمت معايرة مقياس الطيف في البداية باستخدام بلورة واحدة من السيليكون تحتوي على نطاق رامان من الدرجة الأولى عند 520.7 سم -1. تم قياس إشارة رامان في نطاقات الأرقام الموجية من 200 إلى 1735 و 2800 إلى 4000 سم -1. يتضمن نطاق الأرقام الموجية الأول خط Ne عند 1707.36 سم -1 تم تسجيله كمعيار داخلي للأرقام الموجية لتصحيح كل طيف لأي إزاحة في مقياس الطيف أثناء القياسات طويلة المدى لمدة تصل إلى عدة أيام (الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة ± 0.5 درجة مئوية في المختبر). تم تصحيح بيانات رامان المعروضة هنا فقط ، إن لم يتم ذكر خلاف ذلك ، لتقلبات التردد المحتملة عن طريق ملاءمة دالة غاوسية مع خط Neالمسجل 24،39. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام خط Ne لتحديد الدقة الطيفية تجريبيا ، والتي تم تقديمها بواسطة العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) ، والذي كان 5.1 سم -1.

يعرض الشكل 5 أ التطور الزمني للتوزيع المكاني للزجاج والمحلول و SAL كما يعرضه البرنامج باستخدام الأطياف الأولية المسجلة. تم إنشاء صورة الوقت مقابل الموضع ذات اللون الخاطئ من عمليات مسح الخط ، أي من قياسات نقطة بنقطة في الاتجاه x عبر واجهة الزجاج / المحلول. تظهر الصورة واجهة زجاج / محلول متراجعة باستمرار خلال أول 4.0 ساعة ، مما يشير إلى الذوبان المتطابق للزجاج. تم الكشف عن الإشارات الأولى للسيليكا غير المتبلورة بعد 8.3 ساعة ، حيث التقطت هطول الأمطار في SAL. يوضح الشكل 5 ب أطياف رامان الخام التمثيلية المسجلة من نقطة واحدة (بكسل) من المحلول ، SAL ، والزجاج ، جنبا إلى جنب مع نوافذ التردد الفردية المستخدمة لتكامل الشدة لتصور توزيعها المكاني ، كما هو موضح في الشكل 5 أ والشكل 6 أ. الملاحظة الرئيسية من هذه التجربة التي يجب تسليط الضوء عليها هنا هي تشكيل منطقة غنية بالمياه بين SAL والزجاج الأساسي. بدأت هذه المنطقة الغنية بالمياه في التشكل بعد حوالي 80 ساعة ، ومنذ هذه اللحظة ، نمت لاحقا إلى طبقة مائية شفافة بعرض حوالي 6 إلى 8 ميكرومتر (الشكل 6 أ). في الشكل 6 ب ، يظهر متوسط أطياف رامان التمثيلية في نطاق تردد اهتزازات الماء من المحلول السائب ، و SAL ، ومحلول الواجهة ، والزجاج الاسمي الخالي من الماء. تسلط الأطياف الضوء على فرق شدة H2O بين الحل السائب وحل الواجهة ، ولكن أيضا أن الطيف من SAL يتضمن إشارة جديدة بالقرب من 3600 سم -1 يمكن تخصيصها لاهتزازات Si-OH35. لا يمكن رؤية نطاق OH الإضافي هذا في الطيف من طبقة الماء البينية والمحلول السائب ، وهو دليل إضافي على أن الفجوة الواضحة بين الزجاج البكر و SAL قد تطورت ببطء أثناء التجربة التي تم ملؤها بالماء. يعد تكوين مثل هذه الطبقة المائية البينية (أو الواجهة الغنية بالماء) أثناء تقدم التفاعل سمة جوهرية لنموذج ICDP ولا يمكن تفسيره بآلية الترشيح المقبولة على نطاقواسع 4،17. حقيقة أن هذه الملاحظة يمكن استنساخها لها أهمية كبيرة حيث من الواضح أنها تحتاج إلى النظر في مناهج النمذجة التي تهدف إلى محاكاة تآكل زجاج السيليكات في المحاليل المائية بشكل واقعي.

figure-results-1
الشكل 1: التمثيل التخطيطي لأهم نموذجين لتآكل الزجاج الميكانيكي. (أ) نموذج الترشيح الكلاسيكي13،16 و (ب) نموذج الذوبان والترسيب المقترن بالواجهة (ICDP)19،20 مع منطقة الانتشارالبيني (ID) 23. تم تعديل هذا الرقم من24. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: الإعداد التجريبي للتحليل الطيفي رامان للخلية السائلة. (أ) يتم محاذاة شعاع الليزر بالتوازي مع اتجاه جبهة التفاعل. تم تجهيز خلية التفاعل بلوحة تسخين في الأسفل ومدخل ومخرج لتبادل المحلول الاختياري أو تجارب التدفق. (ب) رسم تخطيطي لمطياف رامان المجهز بمجهر ، ومرحلة xy-z آلية ، وجهاز مقترن بالشحن (CCD) للكشف عن الضوء المتناثر. (ج) الرسم الفني التخطيطي لمكونات نظرة خاطفة للخلية السائلة. (د) صورة لخلية سائلة مملوءة مثبتة على المسرح الآلي لمجهر رامان. الإعداد ليس على نطاق واسع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: تجميع غطاء الخلية السائلة. (أ) عينة مصقولة وحامل PTFE (ب) غسالة سيليكون موضوعة على غطاء خلية السائل. (ج) يتم وضع نافذة الياقوت بدقة أعلى الغسالة. (د) حامل PTFE مع العينة التي تواجه نافذة الياقوت الموضوعة على النافذة. (ه) غطاء نظرة خاطفة مشدود يحدد موضع العينة. (و) المنظر الجانبي للغطاء مثبت بإحكام على الغطاء. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4: مخطط مكدس لأطياف رامان الخام على أعماق مختلفة. مكدس قطعة من التجربة المعروضة مع زجاج البورسليكات الصنديوم ومحلول 0.5 M NaHCO3 . يتم ضبط سطح نافذة الياقوت على z = 0. بالنظر إلى سمك 100 ميكرومتر لنافذة الياقوت ، فإن المسافة بين الجزء السفلي من النافذة والجانب العلوي من الكتلة المتراصة الزجاجية عند -150 ميكرومتر هي حوالي 50 ميكرومتر. تعرض الأطياف الزرقاء أطياف مختلطة من الياقوت ، ومحلول NaHCO3 0.5 M ، وزجاج البورسليكات Na. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5: توزيع الزجاج والمحلول وSAL القائم على السيليكا كدالة للزمان والمكان عند 86 درجة مئوية. (أ) ملامح خط رامان الفائق الطيفي عبر واجهة الزجاج / المحلول كدالة زمنية لأول 24 ساعة من التجربة باستخدام زجاج بورسليكات الصوديوم ومحلول NaHCO3 0.5 M. (ب) مخطط مكدس لأطياف رامان الخام المقدمة من قياس نقطة واحدة (مستطيلات بيضاء في (أ)). تشير الخطوط المتقطعة الحمراء والخضراء والزرقاء إلى نطاقات الأرقام الموجية التي تم استخدامها لتصور الزجاج (1000 - 1250 سم -1) ، ومحلول البيكربونات (1560 - 1700 سم -1) ، و SAL القائم على السيليكا (250 - 600 سم -1) ، على التوالي. تم دمج شدة رامان داخل هذه الحدود بعد طرح خلفية خطية تم تحديدها من خلال الشدة عند حدود نافذة الرقم الموجي. يشير رمز النجمة إلى إشارات ضعيفة من نافذة الياقوت. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الشكل 6: توزيع الزجاج ، والواجهة الغنية بالمياه ، و SAL كدالة للزمان والمكان جنبا إلى جنب مع أطياف رامان التمثيلية. (أ) ملامح خط رامان الفائق الطيف عبر واجهة الزجاج / المحلول كدالة للوقت للفترة بين 81 ساعة و 140 ساعة من التجربة باستخدام زجاج البورسليكات الصنديوم ومحلول NaHCO3 0.5 M ، إظهار تكوين طبقة مائية واجهة بين الزجاج و SAL. (ب) متوسط أطياف رامان الخام المكدسة على المنطقة المميزة بمربعات في (A) ، مما يدل على انخفاض في إشارة شدة أوضاع رامان ذات الصلة للمياه داخل SAL وزيادة بين SAL والزجاج الذائب. داخل SAL ، لوحظت شدة إشارة إضافية عند حوالي 3600 سم -1 يمكن تخصيصها لوضع التمدد لمجموعات السيلانول (H-bonded to Si-O-) 40. تنتج إشارة الماء الضعيفة المرئية من المنطقة الزجاجية من طبقة المحلول بين نافذة الياقوت وسطح العينة الزجاجية. القمم الحادة هي خطوط Ne. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7
الشكل 7: النقاط الحرجة لتجارب FCRS. (أ) الانحباس المحتمل ونواة الجيوب الهوائية على طول واجهات المواد (ليس على نطاق واسع). (ب) فجوة مملوءة بالمحلول بين الجزء السفلي من نافذة الياقوت والجانب العلوي من العينة الزجاجية (ليس على نطاق واسع). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: الرسم الفني لحامل العينة المصنوع من PTFE. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: الرسم الفني لمكونات الخلايا السائلة المصنوعة من نظرة خاطفة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: رسم العرض الفني المتفجر لمكونات الخلايا السائلة المصنوعة من نظرة خاطفة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 4: وصف مفصل لسخان خلية المفاعل. عنصر تسخين خلية المفاعل عبارة عن قرص سخان معدني وسيراميك (MCH) ، يتحمل درجات حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية. يبلغ قطرها 30 مم وسمكها 1.5 مم. يتم توصيل عنصر التسخين بجهاز تحكم في درجة الحرارة عن طريق دائرة إلكترونية صغيرة. يتم الاتصال بين السخان ووحدة التحكم بواسطة أسلاك سيليكون مرنة ومتحملة للحرارة. يتم وضع وحدة التحكم في درجة الحرارة مع الدائرة الإلكترونية ومصدر طاقة 5 فولت في صندوق بلاستيكي صغير. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

المناقشة

يركز البروتوكول الحالي على إعداد تجربة FCRS لدراسة عملية لظواهر التفاعل والنقل أثناء التآكل المائي لزجاج البورسليكات من خلال تقديم بيانات رامان المقاسة من تجربة مع زجاج بورسليكات Na ثلاثي بسيط في محلول NaHCO3 0.5 M عند 86 ± 1 درجة مئوية. تمثل الخطوات الحاسمة (1) الاحتباس المحتمل للجيوب الهوائية أثناء إغلاق خلية السوائل و (2) عمليات التآكل في الجانب العلوي بسبب الفجوة بين الجزء السفلي من نافذة الياقوت والجانب العلوي من العينة الزجاجية (الشكل 7). يمثل التآكل العلوي مشكلة ، لا سيما أثناء التجارب طويلة المدى ، حيث تمتص منتجات التآكل وتشتت الضوء الساقط والمبعثر ، مما يقلل من نسبة الجودة (الإشارة إلى الضوضاء) للأطياف والدقة المكانية بمرور الوقت. تتم معالجة هذه المشكلة حاليا من خلال التجارب خارج الموقع مع النظارات التي تم رشها بشكل رقيق بطبقة نيتريد السيليكون (SiN) من أجل اختبار استقرار طبقة SiN ضد المحاليل المائية. يمكن اكتشاف إشارات رامان من الطبقة السطحية SiN على عمق بضعة ميكرومترات فقط ، وبالتالي ، لا يتوقع أن يكون لها تأثير مزعج أثناء تجربة FCRS. يعد حبس الهواء دائما مشكلة محتملة تعتمد على كيفية ملء المحلول في الخلية ، ولكن يمكن تجنبه بقليل من الممارسة وإزالة فقاعات الهواء من محلول البداية.

للحصول على معالجة كمية ، يجب تصحيح بيانات رامان بشكل صحيح لإشارات الخلفية وتأثيرات درجة الحرارة واعتماد الطول الموجي لعملية التشتت24،41. يتم تقديم بروتوكول مفصل لمعالجة البيانات في24. علاوة على ذلك ، من المهم ملاحظة أن العمق البؤري الفعلي والظاهري يختلفان بسبب تأثيرات الانكسار المتعددة. ومع ذلك ، يمكن حساب دقة العمق والعمق الفعلي الذي يتم من خلاله تسجيل إشارة رامان بدقة معقولة من الاعتبارات الهندسية والبصرية لنظام متعدد الطبقات24. يمكن أيضا تحديد الدقة المكانية تجريبيا4،27،28. بشكل عام ، تزداد دقة العمق خطيا مع العمق الظاهر ، اعتمادا على الفتحة العددية للهدف ومؤشرات الانكسار للمواد التي يجتازها شعاع الليزر ، أي نافذة الياقوت ، والمحلول ، ومنتجات العينة / التفاعل24،37.

يوفر FCRS رؤى في الوقت الفعلي وفي الموقع حول عمليات التفاعل والنقل المقترنة التي تحدث في واجهة المياه الصلبة على النطاق المجهري. دون مقاطعة العمليات الجارية ، يمكن ل FCRS التقاط عمليات التفاعل والنقل الرئيسية ، وهو أمر مهم ، على سبيل المثال ، للنقاش الحالي حول آليات تآكل الزجاج المستخدمة لوصف الأداء طويل الأجل لزجاج النفايات النووية. تظهر البيانات النموذجية المعروضة هنا تكوين منطقة غنية بالمياه (طبقة مائية بينية / طبقة سائلة) بين SAL والزجاج الأساسي ، وهي سمة جوهرية لنموذج ICDP. تؤكد النتائج دراسات FCRS السابقة5،24،30،33 وبالتالي توضح قابلية تكرار المنهجية التجريبية. تتغلب الطريقة المقدمة على عيوب التجارب متعددة الخطوات خارج الموقع التي تتضمن التبريد والتجفيف والتقسيم الميكانيكي لمنتجات التفاعل وتوفر معلومات عن العديد من تجارب التبريد من خلال تجربة واحدة مع تجنب مخاطر تعديل منتجات التغيير لتحليل ما بعد الوفاة.

نظرا لأن تواتر الاهتزاز الجزيئي يعتمد على كتلة النظائر المهتزة ، يمكن حتى تتبع عمليات التفاعل والنقل عن طريق التحليل الطيفي رامان باستخدام 2H و 18O التي يمكن إضافتها إلى النظام كمتتبعات نظائر مستقرة4. يمكن أيضا تمديد قياس رامان إلى ثلاثة أبعاد ، أي عن طريق قياسات متسلسلة في بعدين ، والتي يمكن أن توفر معلومات إضافية عن النسيج27،28. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن وقت التعرض سيزداد بشكل كبير. وبالتالي ، قد تكون معدلات العمليات المراد تصويرها عاملا مقيدا لأنها يجب أن تكون أبطأ من وقت التعرض ، والذي ، بالطبع ، يجب أيضا أخذه في الاعتبار لقياسات مسح الخط.

الإفصاحات

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

نشكر G. Paulus (Schott AG) على تجميع وتوصيف زجاج البورسيليكات. شكر خاص ل D. Lülsdorf و H. Blanchard (جامعة بون) وكذلك W. Bauer (Schott AG) للمساعدة في تصميم وبناء خلية (خليات) سائلة. نعرب عن تقديرنا لشركة Schott AG Mainz ، ألمانيا ، مؤسسة الأبحاث الألمانية (رقم المنح. GE1094 / 21-1 و GE1094 / 27-1 إلى T.G.) ، والوزارة الفيدرالية الألمانية للتعليم والبحث (BMBF) (المنحة رقم 02NUK019F إلى T.G.) للدعم المالي. كما أعرب عن امتنان T.G. و M.B.K.F. للدعم المالي المقدم من Otto-Schott-Fond.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
مسامير متقاطعة (6 قطع)--- ---
سلك سيليكون أزرقالمقطع العرضي Reichelt Elektronik:   ؛ 1.5 مم & sup2 ؛ ، الطول: 2 م
مكثفReichelt Elektronikالسعة: 100 nF
موصلات وفقا للمستخدم ' s اختيارReichelt Elektronik
Eurotherm Controller 3216Eurotherm / Emersonرمز الطلب 3216 CC VH LXXX X XXX G ENG XXXXX
Flangeless Ferrules ETFE & nbsp ؛داروين ميكروفلويدكسكود المنتج: ID-P-200X1/4 "-28 ل 1/16" OD & nbsp ؛
خلية السوائل (حاوية + غطاء)الرسم الفني محلي الصنع---الموجود في الملحق (S1-S2)
عنصر التسخين ، سخان معدني وسيراميك (MCH) قرصعلي باباD: 30 مم ، H: 1.5 مم ؛ https://german.alibaba.com/product-detail/DC-Power-Supply-30mm-MCH-Round-1600118228465.html?spm=a
2700.7724857.0.0.7cde5nqq5nqq2n
Horiba HR800 Raman مطيافHORIBA
LabSpec 6.5.1.24
مع قابس ، تحميل + محايد (L + N)طول Reichelt Elektronik: 2 متر
الصمامات الرئيسية 1A & nbsp ؛Reichelt Elektronik5x20 مم & sup2 ؛
حامل الصمامات الكهربائية Reichelt Elektronik5x20 مم & sup2 ؛
الروك الرئيسي Reichelt Elektronik230VAC 2A
محول تركيبات الموائع الدقيقة أنثى لور إلى 1 / 4-28 ذكر & nbsp ؛داروين ميكروفلويدكسكود التخزين التعريفي: ID-P-618
مرشحات حقنة MillexMerckSLGPR33RS
NaHCO3< / sub>MerckCAS-144-55-8
NMOS Mosfet F1010NReichelt Elektronik
الضميمةReichelt ElektronikTEKO KL22الضميمة 178x128x72
حامل عينة PTFEمحليالصنع---
PTFE الأنابيب داروين MicrofluidicsBL-PTFE-1608-201/16 "OD
سلك سيليكون أحمرReichelt Elektronikالمقطع العرضي: 1.5 مم ² ؛ ، الطول: 2 م
المقاومReichelt Elektronik1 / 4W ، 10kOhm
المقاومReichelt Elektronik1 / 4W ، 2.2kOhm
نافذة الياقوت   ؛Edmund Optics GmbH# 71-225D: 15 مم H: 100 & micro ؛ م
صمام الإغلاق 1 / 4-28   ؛داروين ميكروفلويدكسرمز المنتج: ID-P-782 
غسالة سيليكونART Elektromechanikمخصصة للمعهدOD: 15 مم ، المعرف: 8 مم ؛ H: 0.5 مم
مزود طاقة وضع التبديل   ؛Reichelt ElektronikSNT RS 25 55V ،
كابل تمديد حراري 5A ، قابس / مقبس ، مقبس مزدوج حراري من النوع KRS Components GmbH2 متر
، النوع K ، الهيكل RSComponents GmbH
مزدوج حراري ، النوع KTC DirectD: 1 مم ، L: 50-100mm
كابلات مختلفة للأسلاك الموجودة في الصندوقReichelt Elektronik
كابل التيار الكهربائي لمجموعة التحليل الطيفيتبديل البلاستيكية

المراجع

  1. Belançon, M. P., Sandrini, M., Zanuto, V. S., Muniz, R. F. Glassy materials for Silicon-based solar panels: Present and future. J Non-Crystalline Solids. 619, 122548(2023).
  2. Iacocca, R., et al. Factors affecting the chemical durability of glass used in the pharmaceutical industry. AAPS PharmSciTech. 11 (3), 1340-1349 (2010).
  3. Grambow, B. A general rate equation for nuclear waste glass corrosion. MRS Online Proc Lib. 44, 15-27 (1984).
  4. Gin, S., Taron, M., Arena, H., Delaye, J. M. Effect of structural disorder induced by external irradiation with heavy ions on the alteration of a four oxide borosilicate glass. NPJ Mater Degrad. 8, 64(2024).
  5. Geisler, T., Dohmen, L., Lenting, C., Fritzsche, M. B. K. Real-time in situ observations of reaction and transport phenomena during silicate glass corrosion by fluid-cell Raman spectroscopy. Nat Mater. 18, 342-348 (2019).
  6. Stroncik, N. A., Schmincke, H. U. Evolution of palagonite: Crystallization, chemical changes, and element budget. Geochem Geophys Geosyst. 2 (7), 1017(2001).
  7. Staudigel, H., Hart, S. R. Alteration of basaltic glass: Mechanisms and significance for the oceanic crust-seawater budget. Geochim Cosmochim Acta. 47, 337-350 (1983).
  8. Udi, U. J., Yussof, M. M., Ayagi, K. M., Bedon, C., Kamarudin, M. K. Environmental degradation of structural glass systems: A review of experimental research and main influencing parameters. Ain Shams Eng J. 14, 101970(2023).
  9. Majérus, O., et al. Glass alteration in atmospheric conditions: crossing perspectives from cultural heritage, glass industry, and nuclear waste management. NPJMater Degrad. 4, 27(2020).
  10. Grambow, B. Nuclear waste glasses - How durable. Elements. 2, 357-364 (2006).
  11. Hellmann, R., et al. Nanometre-scale evidence for interfacial dissolution-reprecipitation control of silicate glass corrosion. Nat Mater. 14, 307-311 (2015).
  12. Gin, S., et al. Origin and consequences of silicate glass passivation by surface layers. Nat Comm. 6, 6360-6360 (2015).
  13. Gin, S., et al. The controversial role of inter-diffusion in glass alteration. Chem Geol. 440, 115-123 (2016).
  14. Gin, S., et al. An international initiative on long-term behavior of high-level nuclear waste glass. Mater Today. 16, 243-248 (2013).
  15. Frugier, P., et al. SON68 Nuclear glass dissolution kinetics: Current state of knowledge and basis of the new GRAAL model. J Nuclear Mater. 380, 8-21 (2008).
  16. Bunker, B. C. Molecular mechanisms for corrosion of silica and silicate glasses. J Non-Crystalline Solids. 179, 300-308 (1994).
  17. Cailleteau, C., et al. Insight into silicate-glass corrosion mechanisms. Nat Mater. 7, 978-983 (2008).
  18. Gin, S., Ryan, J. V., Schreiber, D. K., Neeway, J., Cabié, M. Contribution of atom-probe tomography to a better understanding of glass alteration mechanisms: Application to a nuclear glass specimen altered 25years in a granitic environment. Chem Geol. 349 - 350, 99-109 (2013).
  19. Geisler, T., et al. The mechanism of borosilicate glass corrosion revisited. Geochim Cosmochim Acta. 158, 112-129 (2015).
  20. Geisler, T., et al. Aqueous corrosion of borosilicate glass under acidic conditions: A new corrosion mechanism. J Non-Crystalline Solids. 356, 1458-1465 (2010).
  21. Putnis, A. Why mineral interfaces matter. Science. 343, 1441-1442 (2014).
  22. Putnis, A. Mineral replacement reactions: from macroscopic observations to microscopic mechanisms. Mineralogical Magazine. 66, 689-708 (2002).
  23. Lenting, C., et al. Towards a unifying mechanistic model for silicate glass corrosion. NPJ Mater Degrad. 2, 28(2018).
  24. Fritzsche, M. B. K. The aqueous corrosion of borosilicate glasses studied in operando by in situ fluid-cell Raman spectroscopy. Dissertation. , University of Bonn. Germany. https://hdl.handle.net/20.500.11811/10602 (2023).
  25. Iler, K. R. The chemistry of silica: Solubility, polymerization, colloid and surface properties and biochemistry of silica. , Wiley. (1979).
  26. Gin, S., et al. The fate of silicon during glass corrosion under alkaline conditions: A mechanistic and kinetic study with the International Simple Glass. Geochim Cosmochim Acta. 151, 68-85 (2015).
  27. Putnis, C., Ruiz-Agudo, E. The mineral-water interface: Where minerals react with the environment. Elements. 9, 177-182 (2013).
  28. Icenhower, J. P., Steefel, C. I. Dissolution rate of borosilicate glass SON68: A method of quantification based upon interferometry and implications for experimental and natural weathering rates of glass. Geochim Cosmochim Acta. 157, 147-163 (2015).
  29. Icenhower, J. P., Steefel, C. I. Experimentally determined dissolution kinetics of SON68 glass at 90°C over a silica saturation interval: Evidence against a linear rate law. J Nuc Mater. 439, 137-147 (2013).
  30. Lenting, C., Geisler, T. Corrosion of ternary borosilicate glass in acidic solution studied in operando by fluid-cell Raman spectroscopy. NPJ Mater Degrad. 5, 37(2021).
  31. Lönartz, M. I., et al. The effect of heavy ion irradiation on the forward dissolution rate of borosilicate glasses studied in situ and real time by fluid-cell raman spectroscopy. Materials. 12 (9), 1480(2019).
  32. Müller, G., Fritzsche, M. B. K., Dohmen, L., Geisler, T. Feedbacks and non-linearity of silicate glass alteration in hyperalkaline solution studied by in operando fluid-cell Raman spectroscopy. Geochim Cosmochim Acta. 329, 1-21 (2022).
  33. Müller, G. Raman spectroscopic ex situ and in situ. investigations of the aqueous corrosion of soda-lime silicate glasses. , University of Bonn. Bonn. (2019).
  34. Sulzbach, M., Geisler, T. The replacement of celestine (SrSO4) by strontianite (SrCO3) in aqueous solution studied in situ and in real time using fluid-cell Raman spectroscopy. Minerals. 14 (2), 164(2024).
  35. Dohmen, L. In situ .observations of reaction and transport phenomena during silicate glass corrosion by fluid-cell Raman spectroscopy: Method development and applications. Unpubl. PhD thesis. , University of Bonn. Germany. (2019).
  36. Everall, N. Confocal Raman microscopy: Why the depth resolution and spatial accuracy can be much worse than you think. Appl Spectrosc. 54, 1515-1520 (2000).
  37. Everall, N. Depth profiling with confocal raman microscopy, part II. Spectroscopy. 19, 22-27 (2004).
  38. Everall, N. The influence of out-of-focus sample regions on the surface specificity of confocal Raman microscopy. Appl Spectrosc. 62, 591-598 (2008).
  39. Hauke, K., Kehren, J., Böhme, N., Zimmer, S., Geisler-Wierwille, T. In situ hyperspectral Raman Imaging: A new method to investigate sintering processes of ceramic material at high-temperature. Appl Sci. 9, 1310(2019).
  40. Davis, K. M., Tomozawa, M. An infrared spectroscopic study of water-related species in silica glasses. J Non-Crystalline Solids. 201, 177-198 (1996).
  41. Long, D. A. Raman spectroscopy. , McGraw Hill International Book Company. Great Britain. (1977).

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

التحليل الطيفي للخلايا السائلة رامان لدراسات العمليات لظواهر التفاعل والنقل أثناء تآكل زجاج السيليكات
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.