ספקטרוסקופיה של תא נוזל רמאן למחקרי אופרנדו של תופעות תגובה והובלה במהלך קורוזיה של זכוכית סיליקט

המטרה הכוללת היא לשפר את ההבנה שלנו לגבי תהליכי תגובה והובלה בממשקי מים מוצקים בטמפרטורה גבוהה ובקנה מידה מיקרוסקופי. עם ספקטרוסקופיה של תא נוזלי ראמאן, אנו חוקרים את קורוזיה במים של כוסות סיליקט נקבוביות מכיוון שהן מציגות חומר מועדף לקיבוע פסולת גרעינית ברמה גבוהה. האתגרים הנוכחיים קיימים בלכידה פוטנציאלית של כיסי אוויר במהלך סגירת התא וקורוזיה בצד העליון של הזכוכית עקב הפער המלא בתמיסה בין חלון הספיר לדגימת הזכוכית עצמה.

במיוחד עבור ניסויים ארוכי טווח, מוצרי קורוזיה אלה יכולים להפחית את יחס האות לרעש של הספקטרום ואת הרזולוציה המרחבית. עם שיטה חדשה באתרה, אנו חוקרים במיוחד את תהליכי התגובה וההובלה המגבילים את הקצב שעדיין שנויים במחלוקת השולטים בקורוזיה של זכוכית בסביבות מימיות על פני טווחי זמן גיאולוגיים. מודלים קיימים של קורוזיה של זכוכית שנויים במחלוקת ולכן דורשים נתונים נוספים בזמן אמת כדי לשפר מודלים אנליטיים ומספריים המנבאים את ההתנהגות ארוכת הטווח של כוסות פסולת גרעינית, כמו גם כל טכניקה של כוסות בתמיסות מימיות.

התוצאות האחרונות העלו שאלה נוספת לגבי האופן שבו משקפיים מוקרנים עצמית משחיתים בתנאי pH מובהקים ולאורך זמן ארוך יותר ביחס למנגנוני קורוזיה של זכוכית השנויים במחלוקת כיום. כדי להתחיל, טוחנים את קופון מדגם הזכוכית באמצעות נייר סיליקון קרביד 600 גריט משני צדדים מנוגדים עד שהוא נכנס למחזיק הדגימה PTFE. התקן את מחזיק ה-PTFE המכיל את דגימת הזכוכית לתוך מחזיק דגימה מתכתי גדול יותר כדי להתכונן לטחינת הצד העליון של קופון הזכוכית עד שהוא מיושר עם מחזיק ה-PTFE.

ברגע שה-PTFE לדוגמה ומחזיק הדגימה המתכתי נמצאים כמעט במישור אחד, טוחנים את המשטח באמצעות נייר סיליקון קרביד עדין יותר של 1,000 חצץ. יש ללטש את הצד העליון של הדגימה בתוך מחזיק ה-PTFE עם מטלית ליטוש של שלושה מיקרומטר למשך 20 דקות לפחות. כדי למדוד את המאפיין של מצב Raman של המדגם והפתרון, לחץ על רכישה.

עבור דגימת זכוכית הבורוסיליקט, הגדר את טווח החלון הספקטרלי הראשון בין 200 ל-1, 735 סנטימטרים הפוכים. כדי למדוד את מצבי הרמאן של מים מולקולריים, הגדר את טווח החלון השני בין 2,800 ל-4,000 סנטימטרים הפוכים. לקבלת אות עוצמה מספיק של הזכוכית והמים, מדוד את החלונות הספקטרליים למשך שבע ושתי שניות בהתאמה.

כדי להשיג את יחס האות לרעש הטוב ביותר האפשרי, הגדר את ההצטברות לחמישה סיבובים. התאם את רוחב חריץ הכניסה של הספקטרומטר ל-200 מיקרומטר, ואת החור הקונפוקלי ל-600 מיקרומטר כדי לייעל את רזולוציית העומק. מקם את מנורת הניאון לצד נתיב האלומה של האור המפוזר.

כדי להתחיל, הנח את מכונת הכביסה מסיליקון על מכסה תא הנוזל ההפוך. לאחר מכן מקם את חלון הספיר ואת מחזיק דגימת ה-PTFE כשהצד העליון של המדגם פונה לחלון הספיר. תקן את המיקום של מכונת הכביסה מסיליקון, חלון הספיר והדגימה עם מכסה הבורג.

הכנס את טבעת ה-O לחריץ המצורף. הזרקו את התמיסה הריאקטיבית משני צידי הכור עד שיציאת הצינור בתוך הכור מכוסה במלואה, כדי להבטיח שלא יילכד אוויר. לאחר מכן, סגור את השסתומים לפני הוצאת המזרק כדי למנוע הצטברות אוויר בצינור או בשסתומים.

הוסף את התמיסה הנותרת מהחלק העליון של כלי הכור עד שהתמיסה יוצרת מניסקוס קמור. מלא את החללים הפנויים של מכסה החזקת הדגימה על ידי טפטוף בזהירות של התמיסה לאורך הצד הימני והשמאלי של קופון הדגימה. בדוק את המכסה המלא לאיתור כיסי אוויר אפשריים.

לאחר מכן, הפוך את המכסה כדי להניח אותו על גבי כלי הכור. אבטח במהירות את התא באמצעות ששת הברגים. הרכיב את תא הנוזל על XYZ stage, וחבר אותו לחימום stagה.

לאחר הגעה לטמפרטורה הנומינלית, כוונן את מיקוד הלייזר בחלק העליון של חלון הספיר, ומרכז אותו בכיווני X ו-Y מעל הדגימה. הגדר את מיקום Z לאפס כהפניה. כעת הזיזו את מיקוד הלייזר בכיוון Z עד שיתגלו אותות הרמאן הראשונים של מיני מים או תמיסה, כגון ביקרבונט וקרבונט.

המשך להזיז את מיקוד הלייזר כלפי מטה עד לזיהוי ספקטרום טהור של דגימת הזכוכית באמצעות פונקציית התצוגה בזמן אמת. העבר את מיקוד הלייזר הלאה לכיוון Z, חודר יותר מ-30 עד 50 מיקרומטר לתוך הדגימה לתצפית על קצב קורוזיה של זכוכית. לאחר מכן, הזז את השלב בכיוון X כדי לקבוע את ממשק פתרון הדגימה בהתבסס על ירידת עוצמת אות ה-Raman של הדגימה והעוצמה הגוברת של התמיסה.

הגדר את המיקום של ממשק הפתרון לדוגמה X לאפס. הגדר את סריקת הקו ממינוס 60 עד 40 כדי לכסות את ממשק תמיסת הזכוכית בכאפס מיקרומטר בכיוון X. בחר גודל מדרגה של שני מיקרומטר, וכתוצאה מכך 51 צעדים על ידי סריקת קו של 100 מיקרומטר.

ממשק תמיסת הזכוכית נסוג ברציפות במהלך ארבע השעות הראשונות, מה שמעיד על התמוססות תואמת של הזכוכית. אותות הסיליקה הראשונים הופיעו לאחר 8.3 שעות, מה שמעיד על משקעים של שכבת שינוי פני השטח. אזור פנים עשיר במים החל להיווצר לאחר כ-80 שעות, והתפתח בהדרגה לשכבת מים בין-פנים מובחנת ברוחב של כשישה עד שמונה מיקרומטרים.