Радиоактивные материалы при взаимодействии с молекулами биологических субстанций разрушают протеины, клеточные мембраны и нуклеидные кислоты. Такая химическая реакция носит название оксидативного стресса, и предполагается, что она является причиной многих серьезных заболеваний человека, например, болезни Альцхаймера, атеросклероза, рака и т.д.

Нанотехнологии предлагают много видов структур, эффективно уменьшающих оксидативные повреждения в инженерных приложениях. Новые результаты исследований показывают, что нанотехнологии также могут помочь значительно уменьшить радиоактивное заражение путем удаления радиоактивных ионов из окружающей среды.

Загрязнение окружающей среды радиоактивными ионами, производными от процессов обработки урана или утечки ядерных реакторов, представляют собой серьезную угрозу здоровью, поскольку могут попасть в грунтовые воды и загрязнить запасы питьевой воды в зонах большой плотности населения. Ключевой проблемой в разработке технологий для удаления радиоактивных ионов из окружающей среды – в основном, из сточных вод, и их последующая безопасная ликвидация – заключается в изобретении материалов, которые могут абсорбировать радиоактивные ионы из сточных вод, причем делать это избирательно, невозвратимо, эффективно и в больших количествах.

В продолжение долгого времени для удаления радиоактивных ионов из воды изучаются и используются различные виды глины и цеолиты. Эти материалы используются как ионообменники и после абсорбции радиоактивных ионов могут быть достаточно безопасно удалены. Однако, эксперименты показали, что синтетические неорганические катионообменные материала, такие, как синтетическая слюда, фосфаты циркония, пористые ниобаты и титанаты, значительно превосходят природные материалы когда это касается избирательного удаления радиоактивных катионов из воды. Радиоактивные катионы замещают ионы или протоны в молекуле натрия, входящего в комплексный состав фильтрующего материала. И что еще более важно, давно предполагалось, что при насыщении радиоактивными ионами в ионообменных материалах могут происходить структурные изменения, формирующие устойчивую твердотельную структуру, в которой радиоактивные катионы фиксируются в решетке. Такие, обездвиженные, катионы легко могут быть удалены.

Основываясь на таких комплексных предпосылках, объединенная группа исследователей Квинслендского Технологического Унивеситета, Брисбен, Австралия (Queensland University of Technology in Brisbane, Australia) и Университета Нанкай, Тянджин, Китай (Nankai University in Tianjin, PR China) сфокусировала усилия на поиске и исследовании потенциальных кандидатов для «умных» наноабсорбентов из числа ионообменных материалов слоистой структуры (например, нановолокно). Группу возглавляет Адъюнкт-профессор Школы Физических и Химических наук (School of Physical & Chemical Sciences ) Квинслендского Технологического Унивеситета Др. Жу (Dr. Huai Yong Zhu).

В недавней статье “Titanate nanofibers as intelligent absorbents for the removal of radioactive ions from water”, опубликованной в журнале Advanced Materials, 2008, Volume 20 Issue 14, Pages 2777 – 2781, ученые обсуждают результаты экспериментов с группой веществ, абсорбирующих радиоактивные катионы. Электронную версию статьи можно найти здесь

Новизна проекта и его результатов заключается в том, что поглощение двухвалентных токсичных радиоактивных катионов нановолокнами в конечном счете приводит к разрушению структуры и деформации нановолокна, которая фиксирует радиоактивные катионы в решетке (что и предполагалось). Эти, уловленные, катионы оказываются перманентно заключены в структуре абсорбента, что гарантирует их безопасное удаление. Более того, нановолокна твердотельных титанатов способны к избирательному поглощению радиоактивных катионов в присутствии множества других конкурирующих ионов. В течение многих лет известно, что твердотельные титанаты обладают слоистой структурой и способны к к обмену ионами натрия. Известно также, что титанаты устойчивы к радиации, химическим веществам, термическому воздействию и механическим нагрузкам, что делает их идеальным носителем радиоактивных ионов.

Эксперимент показал, что нановолокна имеют гораздо более высокую емкость по сравнению с материалом в обычной форме и процесс поглощения радиоактивных ионов происходит с более высокой скоростью. Эксперимент также подтвердил, что нановолокна улавливают радиоактивные катионы перманентно, не давая возможности их высвобождения. Важными результатами эксперимента также явились следующие:

• Синтез химически чистых нановолокон титанатов является достаточно простым и дешевым и использует в качестве сырья отходы минерала диоксида титана.
• Нановолокно из титанатов может быть легко диспергировано в воде, поскольку нановолокна объединяются несущественно, в отличие от глин или цеолитов.
• Абсорбенты могут быть легко выделены из любого раствора простой фильтрацией или седиментацией.
• Поглощение радиоактивных ионов происходит необыкновенно быстро. В первые 24 часа абсорбент поглощает примерно 80% от общего числа поглощенных ионов.

Дополнительная информация

Автор – Евгений Биргер