Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, kuinka kuumennettaessa kerroksisten titaanisilikaattien – kupetskitin ja cesiumkupetskitin – kiteinen rakenne muuttuu.
On käynyt ilmi, että hapellisessa ympäristössä lämpötilan vaikutuksesta mineraaleissa oleva mangaani menettää elektroneja ja mineraaleista ”poistuu” vettä. Tämän seurauksena kupetskitin ja cesiumkupetskitin kiteet supistuvat. Saadut tiedot laajentavat käsityksiä cesiumia sisältävien titaanisilikatojen fysikaalisista ominaisuuksista ja mahdollistavat näiden mineraalien käytön radioaktiivisen cesiumin loppusijoitukseen.
Kupetskit ja sen cesiumia sisältävä analogi, cesiumkupetskit, ovat kerrostuneita mineraaleja, luonnollisia titaanisilikattiyhdisteitä. Niillä on huokoinen rakenne, joka muodostuu kahden tyyppisistä vuorottelevista molekyylikerroksista. Toiset kerrokset koostuvat mangaaniatomeista, joihin on sekoittunut rautaa ja magnesiumia, toiset titaanista ja piistä. Näiden kerrosten välissä on suuria kationeja – positiivisesti varautuneita ioneja, kuten cesiumia.
Cesiummineraalit ovat melko harvinaisia luonnossa, joten cesiumkupetskit kiinnittää tutkijoiden huomiota luonnollisena cesiumin, eli kemiallisessa teollisuudessa, öljynporauksessa, säteilynilmaisimissa ja fotoniikassa laajasti käytettävän alkuaineen, keskittimenä. Lisäksi kupetskit ja cesiumkupetskit ovat kiinnostavia potentiaalisina prototyyppeinä materiaaleille, joilla on lupaavia sorptio- (imeytymis-) ominaisuuksia cesiumia kohtaan. Radioaktiivinen cesium-isotooppi (cesium-137) on yksi tärkeimmistä ympäristön saastuttajista säteilykatastrofien yhteydessä, joten tällaisten cesiumia rikastavien mineraalien atomirakenteen tutkiminen korkeissa lämpötiloissa on tärkeää sen muuttamiseksi vakaaksi mineraalin kaltaiseksi muodoksi.
Tutkijat Itä-Aasian vulkanologian ja seismologian instituutista (Petropavlovsk-Kamtshatski) ovat yhdessä kollegoidensa kanssa ensimmäistä kertaa kuvailleet kahden kupeltskit-ryhmään kuuluvan mineraalin – ilman cesiumia ja cesiumia sisältävän – käyttäytymistä korkeissa lämpötiloissa. Mineraalinäytteet kuumennettiin 1000 °C:een, joka on lämpötila, jossa useimmissa mineraaleissa tapahtuu rakenteellisia muutoksia. Tutkijat rekisteröivät kuumennuksesta aiheutuneet muutokset röntgendiffraktometrialla, menetelmällä, joka mahdollistaa näytteen rakenteen määrittämisen sen röntgensäteitä heijastavan kyvyn perusteella.
Kävi ilmi, että kuumennettaessa 500 °C:n lämpötilaan mineraalien kiteiset rakenteet laajenivat, minkä jälkeen ne supistuivat jyrkästi. Yksityiskohtainen tutkimus osoitti, että tämä supistuminen liittyy mangaanin hapettumiseen – elektronien luovuttamiseen – joka seuraa yhdisteen veden menetystä. Näin ollen tutkijat ovat ensimmäistä kertaa todenneet, että mangaanin hapettuminen lämpötilan vaikutuksesta tapahtuu samalla tavalla kuin raudan hapettuminen ja liittyy mineraalin ”kuivumiseen”. Ottaen huomioon rautaoksidaatioreaktioiden laajan levinneisyyden kiviä muodostavissa mineraaleissa – amfiboleissa, turmaliineissa, kiilleissä ja savissa – voidaan olettaa samanlaista käyttäytymistä myös niiden mangaanianalogeille.
Raudan hapettumisreaktioiden analogisesti kirjoittajat olettivat, että mangaanin hapettuminen voi tapahtua kallioperässä korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, vaikkakin rautaa paikallisemmassa mittakaavassa, koska mangaanipitoiset kivilajit ovat levinneet rajoitetusti. Vettä menettäneiden mineraalien (tai niiden muunnoksien) esiintyminen hapettuneen mangaanin kanssa voi myös viitata niiden kuumenemiseen yli 500 °C:n lämpötilaan happipitoisessa ympäristössä.
Kirjoittajien kuvaamat ominaisuudet eivät ainoastaan täydentäneet tietoa mineraalien fysikaalisista ominaisuuksista, vaan myös laajensivat käsityksiä niiden kuumennuksessa tapahtuvista prosesseista. Samanlaisia prosesseja tapahtuu mineraalien muuntumisessa maapallon syvissä kerroksissa ja niiden teknologisessa käsittelyssä. Saadut tiedot voivat potentiaalisesti olla hyödyllisiä kaivosteollisuudessa mangaani- ja cesiumyhdisteiden louhinnassa.
”Tuloksemme voivat olla hyödyllisiä myös sellaisten materiaalien kehittämisessä, jotka ”absorboivat” cesiumia selektiivisesti, mukaan lukien radioaktiivisen cesiumin hävittämiseen tarkoitettujen keraamisten materiaalien valmistuksessa. Jatkossa aiomme tehdä yleistäviä tutkimuksia atomitasolla toimivien mekanismien selvittämiseksi titaniumsilikaatin mineraalien kuumennuksessa”, kertoo RSF:n apurahan tukeman projektin johtaja Elena Zhitova, geologian ja mineralogian tohtori, mineralogian laboratorion johtaja, Vostoknonon Volkanologian ja Seismologian Instituutti, Kaukoidän Federaation Alueen Tiedeakatemia.Tutkimukseen osallistuivat Pietarin valtionyliopiston (Pietari), A.P. Vinogradovin geokemian instituutin (Irkutsk), Manitoban yliopiston (Kanada) ja Geologisen instituutin (Apatity) tutkijat.
