Per mezzo secolo, i ricercatori hanno visto anelli di atomi spostati apparire all'interno dell'acciaio del reattore nucleare dopo l'esposizione alle radiazioni, ma nessuno riusciva a capire come.

Ora, una simulazione fatta dai ricercatori dell'Università del Michigan, La Hunan University (Cina) e il Rensselaer Polytechnic Institute hanno dimostrato che un'onda d'urto produce questi anelli nel ferro. Il risultato potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare un acciaio più resistente alle radiazioni per i reattori, o un acciaio più resistente in generale.

Ferro e acciaio, come la maggior parte dei metalli, si organizzano in un reticolo cristallino, una disposizione di atomi basata su uno schema ripetuto. In questo caso, è un cubo con un atomo ad ogni angolo e uno al centro. Radiazioni e altri stress possono creare una varietà di difetti.

Nei difetti del "loop", gli atomi fuori posto formano anelli grezzi. Alcuni anelli possono viaggiare attraverso il reticolo, e la loro mobilità significa che non intralciano la piegatura dell'acciaio. Ma il difetto in questione (noto come a <100> ciclo di dislocazione interstiziale) tende a rimanere fermo. Posto in modo incontrollato, questi anelli stazionari causano fragilità, ma se sono stati posizionati deliberatamente, potrebbero rafforzare l'acciaio migliorandone la rigidità.

"Ora che conosciamo il meccanismo, possiamo ridurre i danni da radiazioni limitando l'energia delle particelle a cui i materiali sono esposti, " disse Qing Peng, un ricercatore nel laboratorio di Fei Gao, professore di ingegneria nucleare e scienze radiologiche.

"Possiamo usarlo anche per progettare il difetto all'interno dei materiali. A seconda dell'energia, puoi generare diversi tipi di dislocazioni per regolare le proprietà del materiale."

Cinque spiegazioni precedenti sono in corsa per spiegare i misteriosi loop, ma nessuna è particolarmente soddisfacente perché tutte richiedono condizioni speciali e tempi relativamente lunghi per creare i loop.

Poiché i difetti appaiono troppo rapidamente per essere misurati, i ricercatori si aspettavano di essere in grado di simulare il meccanismo su un computer. Ma neanche questo è successo. Supponevano che ci volesse troppo tempo per tracciare le loro traiettorie in tempo reale:semplicemente non c'era abbastanza potenza per simulare tutti quegli atomi in un tempo ragionevole.

Quest'ultima osservazione si è rivelata parzialmente vera:c'erano troppi atomi da modellare. Ma il processo stesso è stato breve; il problema era rendere il volume di ferro abbastanza grande da ottenere la reazione.

"Se la simulazione è troppo piccola, una particella ad alta energia passa semplicemente attraverso. Nessuna reazione, " ha detto Peng.

Il team di Gao ha creato un modello al computer di una scatola di 200 milioni di atomi di ferro, disposti nel tipico reticolo, e ci sbatté contro una particella ad alta energia. Quello che videro fu una potente onda d'urto che squarciava il reticolo, ramificandosi in direzioni diverse.

Milioni di atomi di ferro furono spostati dai loro punti, e milioni di loro sono ricaduti nel reticolo mentre l'onda si dissipava. Sono rimasti indietro centinaia di difetti "puntiformi" in cui i singoli atomi erano fuori posto e una manciata di anelli. Molti di questi erano anelli che possono viaggiare, che non sono una delle principali cause di fragilità, ma spesso uno o due erano di tipo stazionario.

Si è scoperto che i loop sono stati creati nell'onda d'urto iniziale, un processo che richiede solo 13 trilionesimi di secondo o giù di lì. Questa spiegazione è stata lanciata già 40 anni fa, ma era usato per spiegare i difetti che apparivano in linee piuttosto che in anelli chiusi.

Ora che il meccanismo è noto, una modellazione al computer simile può essere utilizzata per raccomandare condizioni operative per le leghe di acciaio in ambienti con radiazioni. Le particelle meno energetiche non creeranno onde d'urto abbastanza forti da produrre questo difetto.

O, difetti come questo possono essere deliberatamente inseriti nell'acciaio per aumentarne la rigidità. Questi anelli stazionari di atomi, incastrato tra altri atomi nel cristallo, rendere più difficile la piegatura dell'acciaio.