Forskere afslører mysteriet om, hvordan stråling svækker metal, ét atom ad gangen

Grå og hvide pletter skitter uregelmæssigt på en computerskærm. Et tårnhøjt mikroskop rager over et landskab af elektronisk og optisk udstyr. Inde i mikroskopet bombarderer højenergi-accelererede ioner en flage platin, der er tyndere end et hår på en mygs ryg. I mellemtiden studerer et hold videnskabsmænd den tilsyneladende kaotiske visning og søger efter spor til at forklare, hvordan og hvorfor materialer nedbrydes i ekstreme miljøer.

Baseret på Sandia mener disse videnskabsmænd, at nøglen til at forhindre katastrofale fejl i broer, fly og kraftværker i stor skala er at se - meget nøje - på skader, som de først opstår på atom- og nanoskalaniveau.

"Som mennesker ser vi det fysiske rum omkring os, og vi forestiller os, at alt er permanent," sagde Sandia-materialeforsker Brad Boyce. "Vi ser bordet, stolen, lampen, lysene, og vi forestiller os, at det altid vil være der, og det er stabilt. Men vi har også denne menneskelige oplevelse af, at ting omkring os uventet kan gå i stykker. Og det er beviset på, at disse tingene er slet ikke stabile. Virkeligheden er, at mange af materialerne omkring os er ustabile."

Men sandheden om, hvordan svigt begynder atom for atom, er stort set et mysterium, især i komplekse, ekstreme miljøer som rummet, en fusionsreaktor eller et atomkraftværk. Svaret er sløret af komplicerede, indbyrdes forbundne processer, der kræver en blanding af specialiseret ekspertise at løse.

Holdet har for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science Advances forskningsresultater om de destabiliserende virkninger af stråling. Mens resultaterne beskriver, hvordan metaller nedbrydes fra et grundlæggende perspektiv, kan resultaterne potentielt hjælpe ingeniører med at forudsige et materiales reaktion på forskellige former for skade og forbedre pålideligheden af ​​materialer i intense strålingsmiljøer.

For eksempel, når et atomkraftværk når pensionsalderen, kan rør, kabler og indeslutningssystemer inde i reaktoren være farligt sprøde og svage. Årtiers udsættelse for varme, stress, vibrationer og en konstant byge af stråling nedbryder materialer hurtigere end normalt. Tidligere stærke strukturer bliver upålidelige og usikre, kun egnet til dekontaminering og bortskaffelse.

"Hvis vi kan forstå disse mekanismer og sikre, at fremtidige materialer dybest set er tilpasset til at minimere disse nedbrydningsveje, så kan vi måske få mere liv ud af de materialer, som vi er afhængige af, eller i det mindste bedre forudse, hvornår de går at fejle, så vi kan reagere i overensstemmelse hermed," sagde Brad.

Forskningen blev delvist udført på Center for Integrated Nanotechnologies, en Office of Science-brugerfacilitet, der drives for DOE af Sandia og Los Alamos nationale laboratorier.

Forskning i atomare skala kunne beskytte metaller mod beskadigelse

Metaller og keramik består af mikroskopiske krystaller, også kaldet korn. Jo mindre krystallerne er, jo stærkere har materialerne tendens til at være. Forskere har allerede vist, at det er muligt at styrke et metal ved at konstruere utroligt små krystaller i nanostørrelse.

"Du kan tage rent kobber, og ved at behandle det, så kornene er i nanostørrelse, kan det blive lige så stærkt som nogle stål," sagde Brad.

Men stråling smadrer og ændrer permanent krystalstrukturen af ​​korn og svækker metaller. En enkelt strålingspartikel rammer en krystal af metal, som en stødbold knækker et pænt racket sæt billardkugler, sagde Rémi Dingreville, en computersimulerings- og teoriekspert på holdet. Stråling rammer måske kun ét atom med hovedet, men det atom springer derefter ud af sin plads og kolliderer med andre i en kaotisk dominoeffekt.

I modsætning til en stødbold, sagde Rémi, pakker strålingspartikler så meget varme og energi, at de et øjeblik kan smelte stedet, hvor de rammer, hvilket også svækker metallet. Og i miljøer med kraftig stråling lever strukturer i en uendelig haglstorm af disse partikler.

Sandia-teamet ønsker at bremse - eller endda stoppe - ændringerne på atomare skala til metaller, som stråling forårsager. For at gøre det arbejder forskerne som retsmedicinske efterforskere, der replikerer gerningssteder for at forstå de virkelige. Deres Science Advances-papir beskriver et eksperiment, hvor de brugte deres højtydende, meget tilpassede elektronmikroskop til at se skaderne i platinmetalkornene.

Teammedlem Khalid Hattar har modificeret og opgraderet dette mikroskop i over et årti, som i øjeblikket er anbragt i Sandias Ion Beam Laboratory. Dette enestående instrument kan udsætte materialer for alle slags elementer - inklusive varme, kryogen kulde, mekanisk belastning og en række kontrolleret stråling, kemiske og elektriske miljøer. Det giver forskere mulighed for at se nedbrydning ske mikroskopisk i realtid. Sandia-teamet kombinerede disse dynamiske observationer med endnu højere forstørrelsesmikroskopi, hvilket gjorde det muligt for dem at se atomstrukturen af ​​grænserne mellem kornene og bestemme, hvordan bestrålingen ændrede den.

Men sådan retsmedicinsk arbejde er fyldt med udfordringer.

"Jeg mener, det er ekstremt svære problemer," sagde Doug Medlin, et andet medlem af Sandia-teamet. Brad bad om Dougs hjælp til projektet på grund af hans dybe ekspertise i at analysere korngrænser. Doug har studeret lignende problemer siden 1990'erne.

"Vi tager udgangspunkt i en prøve, der måske er tre millimeter i diameter, når de stikker den ind i elektronmikroskopet," sagde Doug. "Og så zoomer vi ned til dimensioner, der kun er et par atomer brede. Og så er der bare det praktiske aspekt af:Hvordan finder man ting før og efter eksperimentet? Og så, hvordan får man mening med disse atomistiske arrangementer på en meningsfuld måde?"

Ved at kombinere billeder i atom-skala med video i nanoskala, der blev indsamlet under eksperimentet, opdagede holdet, at bestråling af platin får grænserne mellem korn til at flytte sig.

Computersimuleringer hjælper med at forklare årsag og virkning

Efter eksperimentet var deres næste udfordring at omsætte det, de så i billeder og video, til matematiske modeller. Dette er svært, når nogle atomer kan blive forskudt på grund af fysiske kollisioner, mens andre kan bevæge sig rundt på grund af lokal opvarmning. For at adskille effekterne henvender eksperimentalister sig til teoretikere som Rémi.

"Simulering af strålingsskader på atomær skala er meget (beregningsmæssigt) dyrt," sagde Rémi. Fordi der er så mange bevægelige atomer, tager det meget tid og processorkraft på højtydende computere at modellere skaden.

Sandia har nogle af de bedste modelleringsevner og ekspertise i verden, sagde han. Forskere måler almindeligvis mængden af ​​skader, stråling forårsager på et materiale i enheder kaldet forskydninger pr. atom, eller kort sagt dpa. Typiske computermodeller kan simulere en skade på op til omkring 0,5 dpa. Sandia-modeller kan simulere op til 10 gange det, omkring 5 dpa.

Faktisk gør kombinationen af ​​intern ekspertise inden for atommikroskopi, evnen til at reproducere ekstreme strålingsmiljøer og denne specialiserede niche af computermodellering Sandia til et af få steder i verden, hvor denne forskning kan finde sted, sagde Rémi.

Men selv Sandias avancerede software kan kun simulere et par sekunders strålingsskader. En endnu bedre forståelse af de grundlæggende processer vil kræve hardware og software, der kan simulere længere tidsrum. Mennesker har lavet og brudt metaller i århundreder, så de resterende videnshuller er komplekse, sagde Brad, og kræver eksperthold, der bruger år på at finpudse deres færdigheder og forfine deres teorier. Doug sagde, at forskningens langsigtede karakter er en ting, der har tiltrukket ham til dette arbejdsfelt i næsten 30 år.

"Jeg tror, ​​det er det, der driver mig," sagde han. "Det er denne kløe at finde ud af det, og det tager lang tid at finde ud af det." + Udforsk yderligere

Brug af elektronmikroskopi og automatisk atomsporing for at lære mere om korngrænser i metaller under deformation