Le ceramiche di ossido nanocomposito hanno potenziali usi come ferroelettrici, conduttori di ioni veloci, e combustibili nucleari e per lo stoccaggio di scorie nucleari, generando un grande interesse scientifico sulla struttura, proprietà, e applicazioni di questi materiali misti.

"Le interfacce che separano le diverse regioni cristalline determinano il trasporto, elettrico, e proprietà di radiazione del materiale nel suo insieme, "ha detto Pratik Dholabhai, principale ricercatore del Los Alamos National Laboratory sul progetto. "È nella composizione chimica di queste interfacce che possiamo migliorare caratteristiche come la tolleranza ai danni da radiazioni e la conduzione di ioni veloce".

Un composito è un materiale contenente grani, o pezzi, di diversi materiali. In un nanocomposito, la dimensione di ciascuno di questi grani è dell'ordine dei nanometri, circa 1000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Nel contesto dell'energia nucleare, compositi sono stati proposti per il carburante stesso, come un modo per esempio, per migliorare le proprietà di base del materiale, come la conducibilità termica. È la conduttività termica che determina l'efficienza con cui l'energia può essere estratta dal combustibile. Sono stati creati anche compositi per immagazzinare i sottoprodotti del ciclo energetico nucleare, scorie nucleari, dove i diversi componenti del composito possono immagazzinare ciascuno una parte diversa dei rifiuti.

Però, i compositi hanno applicazioni molto più ampie. Le interfacce forniscono regioni di proprietà elettroniche e ioniche uniche e sono state studiate per migliorare la conduttività per applicazioni relative a batterie e celle a combustibile.

Misteri di dislocazioni disadattate

Utilizzando simulazioni che tengono conto esplicitamente della posizione di ciascun atomo all'interno del materiale, il gruppo di ricerca di Los Alamos ha esaminato l'interfaccia tra SrTiO3 e MgO, dimostrando, per la prima volta, una forte dipendenza della struttura di dislocazione alle eterointerfacce di ossido dalla chimica di terminazione. SrTiO3 può essere visto come una torta a strati, con piani alternati di SrO e TiO2. Così, in linea di principio, quando si abbina SrTiO3 con un altro materiale, c'è una scelta su quale strato è in contatto con l'altro materiale. Le simulazioni rivelano che le interfacce terminate da SrO e TiO2 presentano strutture atomiche notevolmente diverse. Queste strutture, caratterizzato dalle cosiddette dislocazioni disadattate che si formano quando i due materiali non corrispondono esattamente nelle dimensioni, dettare le proprietà funzionali dell'interfaccia, come la conducibilità.

La relazione osservata tra la chimica di terminazione e la struttura di dislocazione dell'interfaccia offre potenziali strade per adattare le proprietà di trasporto e la resistenza ai danni da radiazioni dei nanocompositi di ossido controllando la chimica di terminazione all'interfaccia. Ciò potrebbe portare a nuovi materiali funzionali in una serie di aree tecnologiche. "Crediamo che questa scoperta, che la struttura dell'interfaccia è sensibile alla chimica dell'interfaccia, aprirà la porta a nuove direzioni di ricerca nei nanocompositi di ossido, " ha detto Blas Uberuaga, ricercatore capo dello sforzo.