A cikk eredeti címe: Low-energy Measurement of the 86Kr(α, n)89Sr Reaction Cross Section and Its Impact on Weak R-process Nucleosynthesis

A vasnál nehezebb stabil, neutron-gazdag atommagok mintegy fele valamilyen robbanásos asztrofizikai folyamatok során jöhet létre melyet a Napunk hőmérsékletét legalább két nagyságrenddel meghaladó hőmérséklet, maximum néhány másodperces időskála és extrém magas neutronsűrűség jellemezhet. Csillagászati észlelések és pontos magfizikai adatok hiányában évtizedeken keresztül rendkívül hiányos volt ezen nukleoszintézis folyamatokról rendelkezésre álló tudásunk. Változást a XXI. századi rendkívül pontos csillagászati megfigyelések, a többcsatornás csillagászat, a Tejút peremén található vén csillagok és a Naprendszerünk létrejöttét megelőzően keletkezett meteoritszemcsék vizsgálatai hoztak.

Ugyanis - bár a robbanásos nukleoszintézis folyamatokat kiterjedt, több száz – több ezer magreakciót tartalmazó, hálózatokkal vizsgáljuk - az észlelések eredményeit felhasználva lehetőség nyílt a kulcsreakciók azonosítására. Hipotézisünk, hogy amennyiben kritikus mennyiségű kulcsreakció hatáskeresztmetszetét megfelelő pontossággal ismerjük asztrofizikai energiákon akkor a fémszegény vén csillagok és a meteoritszemcsék összetételét felhasználva meghatározhatjuk annak az asztrofizikai közegnek a jellemzőit, amiben kialakultak. A mérési feladat azonban minden csak nem könnyű…

Jelenlegi ismereteink szerint a 86Kr(α,n)89Sr magreakció a szupernóva robbanást követően végbemenő nukleoszintézis folyamat egyik kulcsreakciója lehet. Hatáskeresztmetszetének egy ritkán használt technikával, asztrofizikai energiákon kivitelezett mérésével és felhasználva a vén csillagokat jellemző izotóparányokat, vizsgáltuk hipotézisünk gyakorlati alkalmazhatóságát.

A cikk eredeti címe: Solar Cycle Detected in Natural Tritium of Ice Layers Before the Nuclear Era

Korábbi cikkünkben kimutattuk (Palcsu et al., 2018), hogy a naptevékenység 11 éves ciklusa befolyásolja a csapadék tríciumkoncentrációját. Mostani tanulmányunkban elsőként mutatunk be egy jégmag trícium idősorát, amely 1923-ig nyúlik vissza egy olyan időszakot lefedve, amely megelőzi az 1950-es évek elején végrehajtott termonukleáris fegyverkísérleteket, ezáltal lehetőségünk adódik a természetes trícium viszgálatára során. A hélium-3 tömegspektrométeres mérésén alapuló alacsony tríciumkoncentrációk érzékeny elemzése lehetővé tette számunkra, hogy megbecsüljük a trícium természetes szintjét és annak változékonyságát a svájci-olasz Alpokban található Colle Gnifetti gleccser akkumulációs zónáján. A napfoltszámot és a kozmikus sugárzás másodlagos neutronjainak számlálási sebességét használó statisztikai elemzések megerősítették, hogy a naptevékenység is hatással van az első hidrogénbomba-kísérletek előtt felhalmozódott jégrétegek tríciumkoncentrációjára. A kutatásunk során tapasztalt természetes tríciumszint nagyon jól egyezik a 30-as, 40-es évek európai borminták tríciumkoncentrációihoz, valamint a MIROC5-iso légköri általános cirkulációs modellel végzett modellszámításokhoz. Az elmúlt három évtized jégrétegei, valamint a svájci csapadék trícium idősorai azt mutatják, hogy még mindig enyhén csökken a jég és a csapadék tríciumtartalma, de még mindig magasabb, mint a modellszámításból adódó természetes szint. A jégmagok további érzékeny tríciumelemzései világszerte lehetőséget adnak ezen modellek validálására, a természetes szint meghatározására és a lokális-regionális szennyezők detektálására.

Palcsu, L., Morgenstern, U., Sültenfuss, J., Koltai, G., László, E., Temovski, M., et al. (2018). Modulation of cosmogenic tritium in meteoricprecipitation by the 11‐year cycle of solar magnetic field activity. Scientific Reports, 8(1), 12813.

Az izospin szimmetria alapvető fogalom a magfizikában. Bár ez szimmetria részben sérül (a Coulomb taszítás miatt), a legtöbb magfizikai rendszerre vonatkozóan közelitőleg érvényes, ez a tény pedig a kivételeket nagyon érdekesé teszi magszerkezeti szempontból. Általánosságban ugyanis tükörmagok (olyan atommag párok melyekben a nukleonok száma megegyezik, de proton és neutronszámaik felcserélődnek ) esetén az várható, hogy alapállapotaik spinjei és paritásai azonosak.

Kéziratunkban kísérleti bizonyítékokat mutatunk arra, hogy ez a feltételezés a 71Br (mely magban a protonok száma 35 és a neutronok száma 36) és 71Kr (mely magban a protonok száma 36 és a neutronok száma 35) tükörpár rendszerben megsérül. Mérésünket a Tokió mellett található RIKEN Nishina Gyorsítóközpontban végeztük az EURICA és WASABI detektorrendszerekkel. Következtetéseink a 71Kr mag rendkívül magas statisztikájú β bomlás mérésén és héjmodell számításokon alapulnak.

A mechanikai terhelésnek kitett felületek kopásállósága és kémiai korrózió-állósága felületkezelési eljárások segítségével nagymértékben javítható. Ezen módszerek egyike a széleskörűen alkalmazott boridálás, ahol a vasmintát magas bórkoncentrációjú szénporba ágyazzák és kemencében hőkezelik. A bóratomok termikus gerjesztés hatására diffúzió útján bejutnak az anyagba, ami bórkoncentráció-gradienst és vas esetében két különböző, FeB és Fe₂B borid fázisból álló réteget eredményez. A két fázis eltérő kristályszerkezettel és eltérő hőtágulási együtthatóval rendelkezik. Ez mechanikai instabilitáshoz és emiatt peelinghez, azaz felületi réteg leválásához vezet.

A kettős fázisszerkezet elkerülése érdekében a bórt ionimplantációval vittük be a mintáinkba, ami nem diffúziós alapú módszer. Közleményünkben a vas nagy dózisú bór-implantációjával kapcsolatos új eredményeinkről számolunk be. A bórionokat 6,9⋅10¹⁷ ion/cm² névleges fluenssel implantáltuk a polikristályos vaslemezek felületi rétegébe, 25 keV kinetikus energiával, szobahőmérsékleten. Az implantációt követően 1 órán keresztül 400 °C hőmérsékleten hőkezeltük. A minták felületi rétegét a kémiai összetevők és a kémiai állapotok mélységprofil-elemzésével jellemeztük a hőkezelés előtt és után. Megfigyeltük, hogy amikor az implantációs dózis elég nagy volt ahhoz, hogy amorf réteg jöjjön létre, a vas és bór atomok közötti kémiai kötések főként FeB típusúak voltak. Kísérletileg kimutattuk, hogy ezek a FeB kémiai kötések magas hőmérsékletű hőkezeléssel Fe₂B kötésekké alakulnak át. A minták kristályszerkezetét röntgendiffrakciós mérésekkel elemeztük, amelyek alátámasztják eredményeinket: a frissen beültetett minták csak FeB-t, a hőkezelt minták Fe₂B-t és FeB-t is tartalmaznak főként amorf szerkezetben.

Az üvegházhatású gázok nélkül nem lenne élet a Földön, hiszen ezek biztosítják bolygónk energiakiegyenlítő rendszerének működését, és fenntartják a Föld átlagos felszíni hőmérsékletét. Az ipari forradalom óta azonban folyamatosan növekednek az emberi eredetű, más néven antropogén kibocsátások, amik az egyik fő okozói a globális felmelegedésnek. A legmeghatározóbb üvegházhatású gáz a szén-dioxid (CO₂), ami emberi forrásból elsősorban a fosszilis tüzelőanyagok égetésével kerül a légkörbe. Ahhoz, hogy meghatározhassuk egy adott mintavételi pont éves fosszilis kibocsátását nagyon pontos szén-dioxid koncentráció, valamint szén izotóp azon belül is radiokarbon (¹⁴C) mérésekre van szükség. Mivel ezekhez az ATOMKI-ban minden technológiai feltétel adott, izgalmas lehetőséget jelentett számunkra a COVID–19 járvány idején bevezetett lezárások hatásainak vizsgálata. A kutatáshoz Európa egyik legrégebbi múltra visszatekintő, ma már az ICOS (Integrated Carbon Observation System) hálózat részeként működő hegyhátsáli mérőállomás 2014 és 2020 közötti légköri CO₂- és ¹⁴C-méréseit vettük alapul. A hagyományos légköri méréseket passzív, faévgyűrű-alapú vizsgálatokkal egészítettük ki három mintavételi helyszínen: a háttérként szolgáló Hegyhátsálon, valamint fővárosban és Debrecenben. A faévgyűrű alapú radiokarbon mérések alkalmazásával megbecsülhető, hogy egy adott helyszínen az adott év során mekkora volt a légköri fosszilis szén-dioxid terhelés.

Az eredmények alapján bebizonyosodott, hogy hegyhátsáli háttérállomáson a CO₂ koncentrációk folyamatos, a globálisan is megfigyelt növekedést mutattak (kb. 15 ppm hat év alatt). A vegetációs időszakban alacsonyabb, a fűtési időszakban magasabb koncentrációkat mértünk és a járvány ideje alatt nem volt kimutatható jelentős változás sem a CO₂ koncentráció sem a ¹⁴C eredményekben az előző időszakhoz képest. A faévgyűrűkön végzett ¹⁴C vizsgálatok is megerősítették ezeket a megfigyeléseket, mivel a debreceni minták a háttérállomáshoz hasonló értékeket mutattak, vagyis csekély fosszilis szénterhelés volt jelen. Budapesten viszont egy különösen forgalmas belvárosi ponton a Déli-pályaudvar közelében jelentős többletet figyeltünk meg. Ez a kutatás bebizonyította, hogy habár a COVID–19 korlátozások idején bizonyos emberi tevékenységek csökkentek, ezeknek a hatása nem volt elegendő ahhoz, hogy jelentősen megváltozzon a szén-dioxid antropogén kibocsátás az országos több pontján. Ugyanakkor izgalmas eredmény, hogy a vizsgálat rávilágított: a módszer alkalmas a helyi különbségek detektálására, és jól használható a fosszilis szénterhelés térbeli változatosságának feltérképezésére így jó alapot szolgálhat városi környezetek légköri terhelésének pontosabb vizsgálatánál.

A cikk bemutatja, hogyan lehet nanoarany részecskéket inert szilika aerogél struktúrába beágyazni annak érdekében, hogy katalitikus aktivitásukat megőrizzük és visszanyerjük. A nanoarany kiváló katalizátor ugyan, de hátránya, hogy nehezen visszanyerhető és környezeti terhelést okozhat. A szilika aerogél, amely inert, nagy aktív felülettel rendelkezik és teljesen átjárható, ideális közeg a nanoarany immobilizálására.

A közvetlen beágyazás során azonban a nanorészecskék aggregációja problémát okoz, ami csökkenti a katalitikus aktivitást. A szerzők két megoldást javasolnak: egy bonyolultabb védőpolimeres eljárás alkalmazását, vagy egy egyszerűbb, termikus kezelést. Kutatásaik szerint a megfelelő hőkezelés segítségével a nanoarany részecskék újra diszintegrálhatók, és katalitikus aktivitásuk visszanyerhető.

A tanulmány emellett összefüggést tárt fel a felületi aranyrétegek és a beágyazott nanoarany részecskék termikus viselkedése között, ami gyakorlati haszonnal jár a környezeti terhelés csökkentése és a költségek optimalizálása szempontjából.

Ezzel az eljárással nemcsak a nanoarany részecskék hatékonyságát lehet növelni, de hozzájárulunk egy környezetbarát és gazdaságos technológia kifejlesztésének alapjaihoz is.