«Очень мало известно о фундаментальной химии и о том, останутся ли загрязнители в почве или скалах, или будут ли они вытянуты из этих материалов и попадут в воду, которая течет в сообщества», — сказал геолог из Сандиа Рэндалл Сиган.Исследователи изучили геохимию загрязнителей, таких как радиоактивные материалы и токсичные тяжелые металлы, включая свинец, мышьяк и кадмий. Но лабораторное исследование почв затруднено. «Сложность почвы заключается в том, что составляющие минералы трудно охарактеризовать традиционными методами», — сказал Циган. «В микроскопии есть пределы того, сколько информации может быть извлечено».
Он сказал, что в почвах часто преобладают глинистые минералы с ультратонкими зернами менее 2 микрон в диаметре. «Это довольно мало», — сказал он. «Мы не можем поместить эти материалы на микроскоп или обычный спектрометр и посмотреть, включены ли в них загрязнители».Cygan и его коллеги обратились к компьютерам. «На компьютере мы можем строить концептуальные модели», — сказал он. «Такие молекулярные модели предоставляют ценный способ тестирования жизнеспособных механизмов взаимодействия загрязняющих веществ с минеральной поверхностью».Он описывает глинистые минералы как исходный наноматериал, конечный продукт процесса выветривания глубоко залегающих пород. «Скалы выветриваются химически и физически в глинистые минералы», — сказал он. «У них большая площадь поверхности, которая потенциально может адсорбировать множество различных типов загрязняющих веществ».
Глинистые минералы состоят из алюмосиликатных слоев, удерживаемых вместе электростатическими силами. Вода и ионы могут просачиваться между слоями, вызывая их набухание, разрыв и адсорбцию загрязняющих веществ. «Это эффективный способ изолировать радионуклиды или тяжелые металлы из грунтовых вод», — сказал Сиган. «Очень сложно анализировать то, что происходит в прослойках на молекулярном уровне, с помощью традиционных экспериментальных методов».Молекулярное моделирование описывает характеристики и взаимодействие загрязняющих веществ в глинистых минералах и на них.
Исследователи Sandia разрабатывают инструменты моделирования и критическое силовое поле, чтобы сделать инструменты максимально точными и предсказуемыми. «Мы разработали фундаментальное понимание того, как глинистые минералы взаимодействуют с загрязнителями и их атомными компонентами», — сказал Циган. «Это позволяет нам предсказать, сколько загрязняющих веществ может быть включено в промежуточный слой и на внешние поверхности, и насколько сильно они связываются с глиной».Компьютерные модели количественно определяют, насколько хорошо может работать хранилище отходов. «Это позволяет нам разработать инструменты оценки эффективности, необходимые Агентству по охране окружающей среды и Комиссии по ядерному регулированию, чтобы технически и официально сказать:« Да, давайте продолжим и поместим ядерные отходы в эти хранилища », — сказал Сиган.
Методы молекулярного моделирования также используются в промышленности и правительстве для определения наилучших способов обработки и снижения выбросов. «Мы обеспечиваем фундаментальную науку для улучшения моделей оценки производительности, чтобы они были как можно более точными в понимании химического состава поверхности природных материалов», — сказал Сиган. «Эта работа помогает дать количественную оценку того, насколько сильно или слабо уран, например, может адсорбироваться на поверхности глины, и может ли один тип глины обеспечить лучший барьер для переноса радионуклидов из хранилища отходов. Наши молекулярные модели обеспечивают прямую способ сделать эту оценку, чтобы лучше руководить проектированием и проектированием свалки. Насколько это круто? "