(Phys.org)—Per costruire la prossima generazione di reattori nucleari, gli scienziati dei materiali stanno cercando di svelare i segreti di alcuni materiali tolleranti ai danni da radiazioni. Ora i ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) hanno portato una nuova comprensione a uno di quei segreti:come possono assorbire le interfacce tra due metalli accuratamente selezionati, o guarire, danno da radiazioni.

"Quando si tratta di selezionare materiali strutturali adeguati per reattori nucleari avanzati, è fondamentale comprendere il danno da radiazioni e i suoi effetti sulle proprietà dei materiali. E dobbiamo studiare questi effetti su caratteristiche isolate su piccola scala, " dice Julia R. Greer, un assistente professore di scienza dei materiali e meccanica al Caltech. Con quello in mente, Greer e colleghi di Caltech, Laboratori Nazionali Sandia, UC Berkeley, e il Los Alamos National Laboratory hanno esaminato più da vicino i danni indotti dalle radiazioni, zoomando fino alla nanoscala, dove le lunghezze sono misurate in miliardesimi di metri. I loro risultati appaiono online nelle riviste Materiali funzionali avanzati e Piccolo .

Durante l'irradiazione nucleare, particelle energetiche come neutroni e ioni spostano gli atomi dai loro normali siti reticolari all'interno dei metalli che compongono un reattore, scatenando cascate di collisioni che alla fine danneggiano materiali come l'acciaio. Uno dei sottoprodotti di questo processo è la formazione di bolle di elio. Poiché l'elio non si dissolve all'interno dei materiali solidi, forma bolle di gas in pressione che possono fondersi, rendere poroso il materiale, fragile, e quindi suscettibile di rottura.

Alcuni materiali nano-ingegnerizzati sono in grado di resistere a tali danni e possono, Per esempio, impedisce alle bolle di elio di fondersi in vuoti più grandi. Ad esempio, alcuni nanolaminati metallici, materiali costituiti da strati alternati estremamente sottili di metalli diversi, sono in grado di assorbire vari tipi di difetti indotti dalle radiazioni alle interfacce tra gli strati a causa della mancata corrispondenza che esiste tra le loro strutture cristalline.

"La gente ha un'idea, dai calcoli, di cosa possono fare le interfacce nel loro insieme, e sanno dagli esperimenti qual è il loro effetto globale combinato. Quello che non sanno è cosa sta facendo esattamente una singola interfaccia e quale ruolo specifico giocano le dimensioni su scala nanometrica, " dice Greer. "E questo è ciò che siamo stati in grado di indagare."

Peri Landau e Guo Qiang, entrambi studiosi post-dottorato nel laboratorio di Greer al momento di questo studio, ha utilizzato una procedura chimica chiamata elettrodeposizione per far crescere pilastri in miniatura di rame puro o pilastri contenenti esattamente un'interfaccia, in cui un cristallo di ferro si trova sopra un cristallo di rame. Quindi, lavorando con i partner di Sandia e Los Alamos, per replicare l'effetto dell'irradiazione con elio, hanno impiantato quei nanopillar con ioni di elio, sia direttamente all'interfaccia che, in esperimenti separati, per tutto il pilastro.

I ricercatori hanno quindi utilizzato uno strumento di test nanomeccanico unico nel suo genere, chiamato il SEMentore, che si trova nel seminterrato dell'edificio dei laboratori di ingegneria W. M. Keck a Caltech, sia per comprimere i minuscoli pilastri sia per tirarli su di essi come un modo per conoscere le proprietà meccaniche dei pilastri, come la loro lunghezza è cambiata quando è stata applicata una certa sollecitazione, e dove si sono rotti, Per esempio.

"Questi esperimenti sono molto, molto delicato, " dice Landau. "Se ci pensi bene, ciascuno dei pilastri, che sono larghi solo 100 nanometri e lunghi circa 700 nanometri, è mille volte più sottile di una singola ciocca di capelli. Possiamo vederli solo con microscopi ad alta risoluzione".

Il team ha scoperto che una volta inserita una piccola quantità di elio in un pilastro all'interfaccia tra i cristalli di ferro e rame, la resistenza del pilastro è aumentata di oltre il 60 percento rispetto a un pilastro senza elio. C'era da aspettarselo, Landau spiega, perché "l'indurimento per irraggiamento è un fenomeno ben noto nei materiali sfusi". Però, lei nota, tale indurimento è tipicamente legato all'infragilimento, "e non vogliamo che i materiali siano fragili".

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che nei loro nanopilastri, l'aumento di forza non è venuto con l'infragilimento, sia quando l'elio è stato impiantato all'interfaccia, o quando è stato distribuito più ampiamente. Infatti, Greer e il suo team hanno trovato, il materiale è stato in grado di mantenere la sua duttilità perché l'interfaccia stessa è stata in grado di deformarsi gradualmente sotto sforzo.

Ciò significa che in un materiale nanolaminato metallico, piccole bolle di elio sono in grado di migrare verso un'interfaccia, che non dista mai più di qualche decina di nanometri, essenzialmente guarire il materiale. "Quello che stiamo dimostrando è che non importa se la bolla è all'interno dell'interfaccia o distribuita uniformemente:i pilastri non falliscono mai in caso di catastrofi, moda improvvisa, " Dice Greer. Nota che le bolle di elio impiantate, descritte nell'articolo sui materiali funzionali avanzati, avevano un diametro da uno a due nanometri; in studi futuri, il gruppo ripeterà l'esperimento con bolle più grandi a temperature più elevate per rappresentare condizioni aggiuntive relative al danno da radiazioni.

Nel Piccolo giornale, i ricercatori hanno dimostrato che anche i nanopillar realizzati interamente in rame, senza stratificazione di metalli, mostrato indurimento indotto dall'irradiazione. Ciò è in netto contrasto con i risultati del lavoro precedente di altri ricercatori sui nanopilastri di rame irradiati con protoni, che mostravano le stesse forze di quelli che non erano stati irradiati. Greer afferma che ciò indica la necessità di valutare diversi tipi di difetti indotti dall'irradiazione su scala nanometrica, perché potrebbero non avere tutti gli stessi effetti sui materiali.

Anche se è probabile che nessuno costruirà reattori nucleari da nanopilastri in qualunque momento presto, Greer sostiene che è importante capire come si comportano le singole interfacce e le nanostrutture. "Questo lavoro ci sta fondamentalmente insegnando cosa dà ai materiali la capacità di guarire i danni da radiazioni:quali tolleranze hanno e come progettarli, " dice. Queste informazioni possono essere incorporate in futuri modelli di comportamento dei materiali che possono aiutare con la progettazione di nuovi materiali.