Atomstruktur af bestrålede materialer ligner mere væske end glas

Materialer udsat for neutronstråling har en tendens til at opleve betydelig skade, hvilket fører til indeslutningsudfordringer, der er involveret i immobilisering af atomaffald eller indeslutninger af atomkraftværker. På nanoskala, disse hændende neutroner støder sammen med et materiales atomer, der, på tur, så kolliderer med hinanden lidt beslægtet med billard. Det resulterende uordnede atomnetværk og dets fysiske egenskaber ligner dem, der ses i nogle glasagtige materialer, hvilket har fået mange på området til at bruge dem i atomforskning.

Men lighederne mellem materialerne er muligvis ikke så nyttige som tidligere antaget, ifølge nye resultater rapporteret i denne uge i Journal of Chemical Physics .

De uordnede atomnetværk af glasagtige stoffer skyldes forglasning, omdannelsen af ​​et stof til glas ved dets smeltning og (typisk) hurtig efterfølgende afkøling. Under denne afkøling, eller slukker, atomer ikke har tid til at bosætte sig på en organiseret måde, og i stedet danne et uordnet atomnetværk. Dette førte til en gruppe forskere fra University of California, Los Angeles (UCLA) og Oak Ridge National Laboratory for at undersøge spørgsmålet:Har bestråling og forglasning den samme indvirkning på atomernes struktur af materialer?

For at finde et svar udforskede de kvarts, et simpelt, men allestedsnærværende materiale i naturen, der bruges til utallige tekniske applikationer.

Traditionelle eksperimenter tillader ikke forskere at "se" atomer direkte, især inden for uordnede materialer. Så, til deres undersøgelse, gruppen stolede på atomistiske simuleringer ved hjælp af molekylær dynamik -teknikken.

"Teknikken for molekylær dynamik er baseret på numerisk løsning af Newtons bevægelseslove for en gruppe interaktive atomer, "sagde Mathieu Bauchy, en adjunkt i civil- og miljøteknisk afdeling ved UCLA. "Alle atomer anvender en kraft på hinanden, der kan bruges til at beregne accelerationen af ​​hvert atom over tid."

Baseret på denne teknik, de var i stand til at simulere bestrålingsinduceret disordering af kvarts ved sekventielt at kollidere atomerne i netværket med fiktive hændelsesneutroner.

"Vi simulerede også kvarts forglasning ved at opvarme og hurtigt slukke atomerne, "Sagde Bauchy." Endelig, vi sammenlignede den resulterende atomstruktur for disse to uordnede materialer. "

De opdagede overraskende forskelle.

"Helt uventet, vi fandt ud af, at forstyrrelsen forårsaget af bestråling adskiller sig i naturen fra den, der fremkaldes ved forglasning, "Bauchy sagde." Dette er ganske overraskende, fordi briller og stærkt bestrålede materialer typisk udviser samme tæthed, så briller ofte bruges som modeller til at simulere effekten af ​​udsættelse for stråling på materialer. "

I modsætning, forskernes resultater tyder på, at bestrålede materialer er mere uordnede end glas. "Atomstrukturen af ​​bestrålede materialer er faktisk tættere på en væskes end på et glas, "Sagde Bauchy.

Gruppens fund kan potentielt have alvorlige konsekvenser for udvælgelsen af ​​materialer til nukleare applikationer.

"Først, vi foreslår, at nuværende modeller kan undervurdere omfanget af den skade, der udvises af materialer, der udsættes for bestråling, hvilket rejser åbenlyse sikkerhedsproblemer, "sagde N.M. Anoop Krishnan, en postdoktoralforsker også ved UCLA. "Sekund, de forskellige naturer ved bestråling og forglasning-induceret disordering tyder på, at briller også kan påvirkes af bestråling. "

Dette er en væsentlig opdagelse, fordi briller, som menes at "helbrede sig selv" under bestråling, bruges almindeligvis til at immobilisere atomaffald via forglasning.

"Disse affaldsformer forventes at forblive stabile i millioner af år, når de først er deponeret i geologiske depoter, så vores mangel på forståelse for bestrålingens virkninger repræsenterer en reel bekymring, "Sagde Krishnan.

Næste, gruppen planlægger at undersøge effekten af ​​bestråling på fælles aggregater, der findes i beton fra atomkraftværker og på atomaffaldsimmobilisationsglas. "Ultimativt, vores mål er at udvikle nye modeller til at forudsige bestrålingens langsigtede effekt på materialers struktur og egenskaber, "Sagde Bauchy.