Gli scienziati hanno scoperto un ciclo di autoriparazione per i difetti nelle ceramiche previsto da simulazioni avanzate a livello atomico. L'irradiazione crea difetti e provoca il disordine della struttura atomica ordinata. Le simulazioni hanno mostrato che la creazione di una quantità soglia di disordine ha fatto sì che gli atomi spostati si muovessero più velocemente. Questo accelerò l'annientamento dei difetti e guarì la struttura.

Il modo in cui gli atomi si muovono negli ossidi ceramici complessi è fortemente legato alla struttura locale. I danni alla struttura atomica si verificano quando sono esposti a irraggiamento o riscaldati. Il modo in cui i difetti influenzano il movimento degli atomi nel tempo è essenziale per comprendere come cambiano le proprietà dei materiali, e come "riparare" il danno. Questi fenomeni sono alla base delle proprietà e della durata dei materiali per la resistenza alle radiazioni nella generazione di energia e nel contenimento dei rifiuti radioattivi.

La diffusione negli ossidi ceramici complessi è fondamentale per il trasporto degli atomi costituenti e l'evoluzione della struttura atomica a causa del danno da radiazioni, sinterizzazione, e invecchiamento. In questi materiali, i singoli atomi portano una carica che lega insieme le strutture; ioni caricati negativamente e positivamente sono chiamati anioni e cationi, rispettivamente. In ossidi complessi che contengono più di un tipo di catione come i piroclori, la migrazione degli ioni attraverso la struttura atomica, o diffusione, e la conduttività sono drammaticamente influenzate dal disordine, o il modo in cui i cationi sono disposti nel cristallo. In particolare, la diffusione e la conduttività sono particolarmente sensibili al disturbo cationico. interessante, questo disturbo cationico è anche alla base della capacità del materiale di mantenere la sua cristallinità all'irraggiamento. Questo è il motivo per cui i piroclori sono considerati candidati per incapsulare i rifiuti nucleari. Il disturbo aiuta sia la conduttività che la resistenza alle radiazioni. Però, poco si sa su come il disturbo influenzi il trasporto dei cationi.

In questo studio, gli scienziati hanno studiato la diffusione dei cationi mediata da difetti nell'ossido di titanio pirocloro gadolinio (Gd2Ti2O7). I difetti mancavano di atomi nella struttura atomica chiamati posti vacanti. Gli scienziati hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare standard e accelerata per tracciare i movimenti atomici e comprendere meglio la diffusione. Queste simulazioni avvengono nell'arco di un microsecondo (un milionesimo di secondo). In confronto, tipiche simulazioni atomiche vengono eseguite per studiare nanosecondi (miliardesimi di secondo) di movimenti atomici a causa degli enormi costi computazionali dell'esecuzione di simulazioni più lunghe. Ma con nuove tecniche computazionali per semplificare la dinamica degli atomi, gli scienziati hanno accelerato i calcoli e allungato i tempi possibili che possono essere studiati da queste simulazioni.

Hanno scoperto che la diffusione dei cationi è lenta a bassi livelli di disturbo. Una volta che il livello di disturbo supera un valore soglia, la diffusione dei cationi è più rapida. La chiave di questo risultato era "difetti anti-sito". Qui è dove un catione (gallio, in questo caso) occupa una posizione in cui l'altro catione (titanio, in questo caso) dovrebbe essere. A un livello di soglia critica, i difetti antisito sono essenzialmente "toccanti" e creano quella che viene definita una rete di percolazione. Questa rete consente ai cationi di muoversi rapidamente attraverso il reticolo. Quando i difetti anti-sito sono annichiliti, la struttura può riordinare, in sostanza permettendo alla struttura di guarire se stessa. Questa guarigione, a sua volta, rallenta la diffusione dei cationi. La diffusività dei cationi aumentava man mano che il materiale diventava più disordinato a causa dell'irradiazione e diminuiva man mano che il materiale si riordinava. Questo ciclo di autoguarigione è diverso dalle osservazioni in altri ossidi complessi e modelli disordinati. Questa ricerca suggerisce una relazione fondamentalmente diversa tra disordine e trasporto di massa. Queste intuizioni potrebbero migliorare la durata delle ceramiche complesse utilizzate in applicazioni che coinvolgono ambienti estremi come l'irradiazione.