Macchie grigie e bianche svolazzano in modo irregolare sullo schermo di un computer. Un microscopio imponente incombe su un paesaggio di apparecchiature elettroniche e ottiche. All'interno del microscopio, ioni accelerati ad alta energia bombardano una scaglia di platino più sottile di un capello sulla schiena di una zanzara. Nel frattempo, un team di scienziati studia il display apparentemente caotico, alla ricerca di indizi per spiegare come e perché i materiali si degradano in ambienti estremi.

Con sede a Sandia, questi scienziati ritengono che la chiave per prevenire guasti catastrofici su larga scala a ponti, aeroplani e centrali elettriche sia guardare, molto da vicino, ai danni che appaiono per la prima volta a livello atomico e su scala nanometrica.

"Come esseri umani, vediamo lo spazio fisico intorno a noi e immaginiamo che tutto sia permanente", ha detto lo scienziato dei materiali Sandia Brad Boyce. "Vediamo il tavolo, la sedia, la lampada, le luci e immaginiamo che sarà sempre lì, ed è stabile. Ma abbiamo anche questa esperienza umana che le cose intorno a noi possono rompersi inaspettatamente. E questa è la prova che queste le cose non sono affatto stabili. La realtà è che molti dei materiali intorno a noi sono instabili."

Ma la verità fondamentale su come inizia il fallimento atomo dopo atomo è in gran parte un mistero, specialmente in ambienti complessi ed estremi come lo spazio, un reattore a fusione o una centrale nucleare. La risposta è oscurata da processi complicati e interconnessi che richiedono un mix di competenze specializzate per essere risolti.

Il team ha recentemente pubblicato sulla rivista Science Advances risultati della ricerca sugli effetti destabilizzanti delle radiazioni. Mentre i risultati descrivono come i metalli si degradano da una prospettiva fondamentale, i risultati potrebbero potenzialmente aiutare gli ingegneri a prevedere la risposta di un materiale a diversi tipi di danni e migliorare l'affidabilità dei materiali in ambienti con radiazioni intense.

Ad esempio, quando una centrale nucleare raggiunge l'età pensionabile, tubi, cavi e sistemi di contenimento all'interno del reattore possono essere pericolosamente fragili e deboli. Decenni di esposizione a calore, stress, vibrazioni e una raffica costante di radiazioni abbattono i materiali più velocemente del normale. Strutture un tempo robuste diventano inaffidabili e insicure, adatte solo alla decontaminazione e allo smaltimento.

"Se siamo in grado di comprendere questi meccanismi e assicurarci che i materiali futuri siano, fondamentalmente, adattati per ridurre al minimo questi percorsi di degrado, allora forse possiamo ottenere più vita dai materiali su cui facciamo affidamento, o almeno anticipare meglio quando stanno andando fallire in modo da poter rispondere di conseguenza", ha detto Brad.

La ricerca è stata condotta, in parte, presso il Center for Integrated Nanotechnologies, una struttura utente dell'Office of Science gestita per il DOE dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos.

La ricerca su scala atomica potrebbe proteggere i metalli dai danni

I metalli e la ceramica sono costituiti da cristalli microscopici, chiamati anche grani. Più piccoli sono i cristalli, più i materiali tendono ad essere resistenti. Gli scienziati hanno già dimostrato che è possibile rafforzare un metallo ingegnerizzando cristalli incredibilmente piccoli e di dimensioni nanometriche.

"Puoi prendere rame puro e, elaborandolo in modo che i grani siano di dimensioni nanometriche, può diventare resistente come alcuni acciai", ha detto Brad.

Ma le radiazioni distruggono e alterano permanentemente la struttura cristallina dei grani, indebolendo i metalli. Una singola particella di radiazione colpisce un cristallo di metallo come una bilia battente rompe un set di palline da biliardo ben allineate, ha affermato Rémi Dingreville, un esperto di simulazione al computer e teoria del team. Le radiazioni potrebbero colpire solo un atomo frontalmente, ma quell'atomo poi salta fuori posto e si scontra con altri in un caotico effetto domino.

A differenza di un pallino, ha detto Rémi, le particelle di radiazione accumulano così tanto calore ed energia che possono fondere momentaneamente il punto in cui colpiscono, il che indebolisce anche il metallo. E negli ambienti con forti radiazioni, le strutture vivono in una grandinata senza fine di queste particelle.

Il team di Sandia vuole rallentare, o addirittura fermare, i cambiamenti su scala atomica dei metalli provocati dalle radiazioni. Per fare ciò, i ricercatori lavorano come investigatori forensi replicando le scene del crimine per capire quelle reali. Il loro articolo su Science Advances descrive in dettaglio un esperimento in cui hanno utilizzato il loro microscopio elettronico ad alta potenza e altamente personalizzato per visualizzare il danno nei grani di platino.

Il membro del team Khalid Hattar ha modificato e aggiornato questo microscopio per oltre un decennio, attualmente ospitato nel laboratorio del fascio ionico di Sandia. Questo strumento unico nel suo genere può esporre i materiali a tutti i tipi di elementi, inclusi calore, freddo criogenico, sollecitazioni meccaniche e una gamma di radiazioni controllate, ambienti chimici ed elettrici. Consente agli scienziati di osservare il degrado al microscopio, in tempo reale. Il team di Sandia ha combinato queste osservazioni dinamiche con una microscopia con ingrandimento ancora maggiore, consentendo loro di vedere la struttura atomica dei confini tra i grani e determinare come l'irradiazione l'ha alterata.

Ma questo lavoro forense è irto di sfide.

"Voglio dire, questi sono problemi estremamente difficili", ha detto Doug Medlin, un altro membro del team Sandia. Brad ha chiesto l'aiuto di Doug per il progetto a causa della sua profonda esperienza nell'analisi dei bordi dei grani. Doug studia problemi simili dagli anni '90.

"Stiamo partendo da un campione che ha forse tre millimetri di diametro quando lo inseriscono nel microscopio elettronico", ha detto Doug. "E poi stiamo riducendo lo zoom a dimensioni che sono larghe solo pochi atomi. E quindi, c'è solo quell'aspetto pratico di:come vai a trovare le cose prima e dopo l'esperimento? E poi, come dai un senso a quegli accordi atomistici in modo significativo?"

Combinando immagini su scala atomica con video su scala nanometrica raccolti durante l'esperimento, il team ha scoperto che l'irradiazione del platino provoca lo spostamento dei confini tra i grani.

Le simulazioni al computer aiutano a spiegare causa ed effetto

Dopo l'esperimento, la loro sfida successiva è stata tradurre ciò che vedevano in immagini e video in modelli matematici. Questo è difficile quando alcuni atomi potrebbero essere dislocati a causa di collisioni fisiche, mentre altri potrebbero muoversi a causa del riscaldamento localizzato. Per separare gli effetti, gli sperimentatori si rivolgono a teorici come Rémi.

"Simulare il danno da radiazioni su scala atomica è molto (calcolativamente) costoso", ha detto Rémi. Poiché ci sono così tanti atomi in movimento, ci vuole molto tempo e molta potenza di elaborazione su computer ad alte prestazioni per modellare il danno.

Sandia ha alcune delle migliori capacità e competenze di modellazione al mondo, ha affermato. I ricercatori comunemente misurano la quantità di danno che le radiazioni provocano a un materiale in unità chiamate spostamenti per atomo, o dpa in breve. I tipici modelli di computer possono simulare danni fino a circa 0,5 dpa. I modelli Sandia possono simulare fino a 10 volte, circa 5 dpa.

In effetti, la combinazione di competenze interne nella microscopia atomica, la capacità di riprodurre ambienti con radiazioni estreme e questa nicchia specializzata della modellazione al computer rende Sandia uno dei pochi posti al mondo in cui questa ricerca può aver luogo, ha affermato Rémi.

Ma anche il software di fascia alta di Sandia può simulare solo pochi secondi di danni da radiazioni. Una comprensione ancora migliore dei processi fondamentali richiederà hardware e software in grado di simulare periodi di tempo più lunghi. Gli esseri umani producono e rompono metalli da secoli, quindi le restanti lacune di conoscenza sono complesse, ha detto Brad, e richiedono team di esperti che trascorrono anni ad affinare le proprie abilità e ad affinare le proprie teorie. Doug ha affermato che la natura a lungo termine della ricerca è una cosa che lo ha attratto in questo campo di lavoro per quasi 30 anni.

"Immagino sia questo ciò che mi guida", ha detto. "È questo prurito per capirlo, e ci vuole molto tempo per capirlo." + Esplora ulteriormente

Utilizzo della microscopia elettronica e del tracciamento automatico degli atomi per saperne di più sui bordi dei grani nei metalli durante la deformazione