該結(jié)果，有特色作為封面物理化學(xué)雜志B的，有利于在傳統(tǒng)的罐浪費(fèi)，這是因?yàn)椴豢深A(yù)知的低水或“水包存在特別困難處理工作，對基礎(chǔ)化學(xué)棚燈鹽“解決方案。

“值得注意的是，這些電解質(zhì)溶液能夠在非常高的鹽濃度下保持液態(tài); 但是因此，它們不像正常的，更稀釋的液體那樣自由移動，“ORNL地球化學(xué)家Hsiu-Wen Wang說，他領(lǐng)導(dǎo)了中子散射研究。

鹽水溶液的特征在于高粘度，其可在液體和近固體，玻璃狀態(tài)之間波動，使得它們難以控制。在核廢料罐中，這些腐蝕性溶液會堵塞泵和管道，阻礙它們被移除以進(jìn)行處理。

更好地了解這種不同類型的液體的基本化學(xué)成分，可以為穩(wěn)定這些解決方案提供廣泛的應(yīng)用，并為20世紀(jì)40年代至80年代積累的傳統(tǒng)儲罐廢物提供清理策略。

例如，美國能源部在華盛頓的漢福德工廠，在其原子時代運(yùn)營的40多年中，產(chǎn)生了數(shù)十億加侖的受污染液體。該網(wǎng)站的“ 油庫 ”是美國能源部環(huán)境清理計(jì)劃中最困難和最昂貴的議程項(xiàng)目之一。

“在這種復(fù)雜，高度集中的環(huán)境中，獨(dú)特的化學(xué)特性使廢物的修復(fù)變得復(fù)雜，放射性產(chǎn)生了額外的挑戰(zhàn)，”ORNL化學(xué)科學(xué)部的Andrew Stack說。“通過努力了解復(fù)雜解決方案中原子級別的情況，我們可以更好地預(yù)測其性質(zhì)和反應(yīng)性，從而可以改善處理核廢料的策略。”

在美國能源部能源前沿研究中心IDREAM(放射性環(huán)境和材料界面動力學(xué))的支持下，研究人員研究了一種非放射性合成鹽水氫氧化鋁 - 鋁酸鹽(Na + OH - / Al(OH)4 -)。

混合物在漢福德的廢物罐中以更稀的濃度存在，以及其他幾種表現(xiàn)相似的電解質(zhì)溶液。

在室溫下的一杯水中，水分子以皮秒為單位遷移。然而，在所研究的解決方案中，研究人員發(fā)現(xiàn)這些運(yùn)動的速度要慢10至100倍，具體取決于鹽的濃度。

基本上，水分子被相互作用的復(fù)雜湯中的“離子”捕獲或包圍。“對于一個離子移動，許多其他分子和離子必須移動，這使得動力學(xué)變得有趣，”王說。

盡管鹽水溶液的性質(zhì)遲緩，但堆棧說，“許多不同類型的同步運(yùn)動 - 有些快速，有些慢 - 正在原子水平上發(fā)生。”

為了理解這些快速和慢速的原子運(yùn)動，研究人員轉(zhuǎn)向兩個美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，ORNL 的散裂中子源和PNNL 的環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

該團(tuán)隊(duì)在ORNL進(jìn)行了準(zhǔn)彈性中子散射(QENS)，在PNNL進(jìn)行了核磁共振(NMR)光譜分析。QENS和NMR光譜學(xué)一起使用，可以提供關(guān)于原子在整個溶液中重新定向和擴(kuò)散的方式的替代觀點(diǎn)。

“核磁共振光譜顯示原子在幾毫秒內(nèi)的運(yùn)動，而QENS捕獲原子運(yùn)動超過皮秒，”Trent Graham說，他在該研究中進(jìn)行了核磁共振光譜分析。“結(jié)合起來，這兩種技術(shù)在多個時間尺度上提供互補(bǔ)數(shù)據(jù)，這對于理解我們正在研究的解決方案中離子的復(fù)雜運(yùn)動至關(guān)重要。”

通過ORNL 的BASIS儀器，該團(tuán)隊(duì)使用中子收集其他技術(shù)無法獲得的獨(dú)特信息。

“中子非常適合水基系統(tǒng)分析，因?yàn)樗鼈優(yōu)槿踉犹峁┝擞欣膶Ρ?，如氫氣，不易被X射線看到; 和QENS是一種特殊的技術(shù)，涉及使用中子來關(guān)聯(lián)原子的空間和時間信息，“BASIS儀器科學(xué)家Eugene Mamontov說。

“當(dāng)水流動時，原子會改變位置，QENS不僅可以告訴你跳躍的速度或速度，還可以告訴你什么距離以及這些細(xì)節(jié)如何與化學(xué)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，”Mamontov說。

將動力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合是該研究的目標(biāo)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與在ORNL的DOE用戶設(shè)施Oak Ridge Leadership Computing Facility進(jìn)行的分子動力學(xué)模擬進(jìn)行比較，該研究是關(guān)于Na + OH - / Al(OH)4 -結(jié)構(gòu)的伴隨研究。