The structural order and physical interaction between tetravalent f-block metals that form super cluster

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05387
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: AOYAGI Noboru 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (80446400)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 元川 竜平 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (50414579)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 二酸化セリウム / 階層構造 / ナノクラスター / コロイド物理 / 界面現象 / 小角散乱 / レーザー共焦点顕微鏡

Outline of Final Research Achievements

The aim of this study is to discover the specific ordered structures formed by molecular aggregates containing tetravalent metals in liquids and the interactions between the metals in the aggregates. A problem in conventional nuclear chemistry, especially in the back-extraction process in reprocessing, is that molecular aggregates (colloids) containing heavy metals can form, which reduces the efficiency of the separation process. Besides, an essential understanding of what these molecular aggregates are, how they are created and how they can be eliminated has not been reached. In this proposal, the interaction between metal ions and their clusters will be clarified to elucidate the mechanism by which solution order is created.

Free Research Field

コロイド物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、濃厚溶液中で発見された四価セリウムのコロイドについて、その１次粒子及び２次粒子の形成メカニズムを種々の実験手法を通して明らかにした。具体的には、溶存化学種から１次粒子の形成は結晶成長挙動であり、２次粒子はそれらの凝集・分散によってもたらされることが分かった。この知見は、産業界では特に燃料再処理における溶媒抽出工程において活用され得る。酸化還元反応に基づいてこれらのｆブロック元素の金属イオンに対する原子価の制御が決定的であり、微粒子生成を未然に防ぐための手法開発に繋がるものである。学術的にはｆブロック元素の凝集をもたらす構造秩序と相互作用を小角散乱実験と顕微鏡観察で初めて解明した。