I materiali esposti alla radiazione di neutroni tendono a subire danni significativi, portando alle sfide di contenimento coinvolte nell'immobilizzazione delle scorie nucleari o nei confinamenti delle centrali nucleari. Alla nanoscala, questi neutroni incidenti collidono con gli atomi di un materiale che, a sua volta, poi si scontrano l'uno con l'altro in modo simile al biliardo. La risultante rete atomica disordinata e le sue proprietà fisiche assomigliano a quelle viste in alcuni materiali vetrosi, che ha portato molti sul campo a usarli nella ricerca nucleare.

Ma le somiglianze tra i materiali potrebbero non essere così utili come si pensava in precedenza, secondo i nuovi risultati riportati questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica .

Le reti atomiche disordinate di sostanze vetrose risultano dalla vetrificazione, la trasformazione di una sostanza in vetro mediante la sua fusione e (tipicamente) rapido successivo raffreddamento. Durante questo raffreddamento, o tempra, gli atomi non hanno il tempo di sistemarsi in modo organizzato, e formano invece una rete atomica disordinata. Ciò ha portato un gruppo di ricercatori dell'Università della California, Los Angeles (UCLA) e l'Oak Ridge National Laboratory per esplorare la domanda:l'irradiazione e la vetrificazione hanno lo stesso impatto sulla struttura atomica dei materiali?

Per trovare una risposta hanno esplorato il quarzo, un materiale semplice ma onnipresente in natura utilizzato per una miriade di applicazioni ingegneristiche.

Gli esperimenti tradizionali non consentono ai ricercatori di "vedere" direttamente gli atomi, soprattutto all'interno di materiali disordinati. Così, per il loro studio, il gruppo si è basato su simulazioni atomistiche utilizzando la tecnica della dinamica molecolare.

"La tecnica della dinamica molecolare si basa sulla risoluzione numerica delle leggi del moto di Newton per un gruppo di atomi interagenti, " ha detto Mathieu Bauchy, un assistente professore nel dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale dell'UCLA. "Tutti gli atomi applicano una forza l'uno sull'altro che può essere utilizzata per calcolare l'accelerazione di ciascun atomo nel tempo".

Sulla base di questa tecnica, sono stati in grado di simulare il disordine del quarzo indotto dall'irraggiamento facendo scontrare in sequenza gli atomi della rete con neutroni incidenti fittizi.

"Abbiamo anche simulato la vetrificazione del quarzo riscaldando e spegnendo rapidamente gli atomi, " disse Bauchy. "Finalmente, abbiamo confrontato la struttura atomica risultante di questi due materiali disordinati".

Hanno scoperto differenze sorprendenti.

"In modo del tutto inaspettato, abbiamo riscontrato che il disordine indotto dall'irradiazione è di natura diversa da quello indotto dalla vetrificazione, " Bauchy ha detto. "Questo è abbastanza sorprendente perché i vetri e i materiali fortemente irradiati mostrano in genere la stessa densità, così che gli occhiali sono spesso usati come modelli per simulare l'effetto dell'esposizione alle radiazioni sui materiali."

In contrasto, i risultati dei ricercatori suggeriscono che i materiali irradiati sono più disordinati degli occhiali. "La struttura atomica dei materiali irradiati è in realtà più vicina a quella di un liquido che a quella di un vetro, " ha detto Bauchy.

I risultati del gruppo hanno potenzialmente serie implicazioni per la selezione di materiali per applicazioni nucleari.

"Primo, suggeriamo che i modelli attuali potrebbero sottovalutare l'entità del danno esibito dai materiali sottoposti a irradiazione, che solleva ovvi problemi di sicurezza, " disse N.M. Anoop Krishnan, un ricercatore post-dottorato anche presso l'UCLA. "Secondo, la diversa natura del disordine indotto dall'irradiazione e dalla vetrificazione suggerisce che anche gli occhiali possono essere influenzati dall'irradiazione".

Si tratta di una scoperta significativa perché gli occhiali, che si ritiene si "autoguariscano" sotto l'irradiazione, sono comunemente usati per immobilizzare le scorie nucleari tramite vetrificazione.

"Si prevede che queste forme di rifiuti rimarranno stabili per milioni di anni una volta depositate in depositi geologici, quindi la nostra mancanza di comprensione dell'effetto dell'irradiazione rappresenta una vera preoccupazione, " ha detto Krishna.

Prossimo, il gruppo intende esplorare l'effetto dell'irradiazione sui comuni aggregati presenti nel calcestruzzo delle centrali nucleari e sugli occhiali per l'immobilizzazione delle scorie nucleari. "In definitiva, il nostro obiettivo è sviluppare nuovi modelli per prevedere l'effetto a lungo termine dell'irradiazione sulla struttura e le proprietà dei materiali, " ha detto Bauchy.