Nano-indsigt kan føre til forbedrede atomreaktorer:Forskere undersøger nogle materialers selvhelbredende evner

(Phys.org)—For at bygge den næste generation af atomreaktorer, materialeforskere forsøger at afdække hemmelighederne bag visse materialer, der er strålingsskadetolerante. Nu har forskere ved California Institute of Technology (Caltech) bragt ny forståelse for en af ​​disse hemmeligheder - hvordan grænseflader mellem to omhyggeligt udvalgte metaller kan absorbere, eller helbrede, strålingsskader.

"Når det kommer til at udvælge ordentlige strukturelle materialer til avancerede atomreaktorer, det er afgørende, at vi forstår strålingsskader og dens indvirkning på materialernes egenskaber. Og vi er nødt til at studere disse effekter på isolerede småskalafunktioner, " siger Julia R. Greer, en adjunkt i materialevidenskab og mekanik ved Caltech. Med det i tankerne, Greer og kolleger fra Caltech, Sandia National Laboratories, UC Berkeley, og Los Alamos National Laboratory har set nærmere på strålingsinducerede skader, zoomer helt ind til nanoskalaen - hvor længder måles i milliardtedele meter. Deres resultater vises online i tidsskrifterne Avancerede funktionelle materialer og Lille .

Under nuklear bestråling, energiske partikler som neutroner og ioner fortrænger atomer fra deres regelmæssige gittersteder i de metaller, der udgør en reaktor, udløser kaskader af kollisioner, der i sidste ende beskadiger materialer som stål. Et af biprodukterne af denne proces er dannelsen af ​​heliumbobler. Da helium ikke opløses i faste materialer, det danner gasbobler under tryk, der kan smelte sammen, gør materialet porøst, skør, og derfor modtagelige for brud.

Nogle nano-udviklede materialer er i stand til at modstå sådanne skader og kan, for eksempel, forhindre heliumbobler i at smelte sammen til større hulrum. For eksempel, nogle metalliske nanolaminater - materialer, der består af ekstremt tynde vekslende lag af forskellige metaller - er i stand til at absorbere forskellige typer af strålingsinducerede defekter ved grænsefladerne mellem lagene på grund af det misforhold, der eksisterer mellem deres krystalstrukturer.

"Folk har en idé, fra beregninger, af hvad grænsefladerne som helhed kan gøre, og de ved fra eksperimenter, hvad deres samlede globale effekt er. Hvad de ikke ved, er, hvad præcis en individuel grænseflade gør, og hvilken specifik rolle nanoskaladimensionerne spiller, " siger Greer. "Og det var det, vi var i stand til at undersøge."

Peri Landau og Guo Qiang, begge postdoktorale forskere i Greers laboratorium på tidspunktet for denne undersøgelse, brugt en kemisk procedure kaldet galvanisering til enten at dyrke miniaturesøjler af rent kobber eller søjler, der indeholder præcis én grænseflade - hvori en jernkrystal sidder oven på en kobberkrystal. Derefter, arbejder med partnere i Sandia og Los Alamos, for at replikere virkningen af ​​heliumbestråling, de implanterede de nanopiller med heliumioner, både direkte på grænsefladen og, i separate forsøg, i hele søjlen.

Forskerne brugte derefter et enestående nanomekanisk testinstrument, kaldet SEMentor, som er placeret i underetagen af ​​W. M. Keck Engineering Laboratories bygning på Caltech, at både komprimere de små søjler og trække i dem som en måde at lære om søjlernes mekaniske egenskaber - hvordan deres længde ændrede sig, når en vis belastning blev påført, og hvor de gik i stykker, for eksempel.

"Disse eksperimenter er meget, meget delikat, " siger Landau. "Hvis du tænker over det, hver enkelt af søjlerne – som kun er 100 nanometer brede og omkring 700 nanometer lange – er tusind gange tyndere end et enkelt hårstrå. Vi kan kun se dem med højopløsningsmikroskoper."

Holdet fandt ud af, at når de først indsatte en lille mængde helium i en søjle ved grænsefladen mellem jern- og kobberkrystallerne, søjlens styrke steg med mere end 60 procent sammenlignet med en søjle uden helium. Så meget var forventet, Landau forklarer, fordi "bestrålingshærdning er et velkendt fænomen i bulkmaterialer." Imidlertid, hun bemærker, sådan hærdning er typisk forbundet med skørhed, "og vi ønsker ikke, at materialer skal være sprøde."

Overraskende nok, forskerne fandt ud af, at i deres nanopiller, stigningen i styrke kom ikke sammen med skørhed, enten når helium blev implanteret ved grænsefladen, eller når det blev spredt mere bredt. Ja, Greer og hendes team fandt, materialet var i stand til at bevare sin duktilitet, fordi selve grænsefladen var i stand til at deformeres gradvist under stress.

Det betyder, at i et metallisk nanolaminatmateriale, små heliumbobler er i stand til at migrere til en grænseflade, som aldrig er mere end et par snese nanometer væk, i det væsentlige helbreder materialet. "Det, vi viser, er, at det er ligegyldigt, om boblen er inden for grænsefladen eller ensartet fordelt - søjlerne fejler aldrig i en katastrofal, brat mode, " siger Greer. Hun bemærker, at de implanterede heliumbobler - som er beskrevet i Advanced Functional Materials-papiret - var en til to nanometer i diameter; i fremtidige undersøgelser, gruppen vil gentage forsøget med større bobler ved højere temperaturer for at repræsentere yderligere forhold relateret til strålingsskader.

I det lille blad, forskerne viste, at selv nanopiller udelukkende var lavet af kobber, uden lag på metaller, udviste bestrålingsinduceret hærdning. Det står i skarp kontrast til resultaterne fra tidligere arbejde fra andre forskere på protonbestrålede kobbernanopiller, som udviste samme styrker som dem, der ikke var blevet bestrålet. Greer siger, at dette peger på behovet for at evaluere forskellige typer af bestrålingsinducerede defekter på nanoskala, fordi de måske ikke alle har samme effekt på materialer.

Selvom ingen sandsynligvis vil bygge atomreaktorer ud af nanopiller på et tidspunkt, Greer hævder, at det er vigtigt at forstå, hvordan individuelle grænseflader og nanostrukturer opfører sig. "Dette arbejde lærer os grundlæggende, hvad der giver materialer evnen til at helbrede strålingsskader - hvilke tolerancer de har, og hvordan man designer dem, " siger hun. Den information kan indarbejdes i fremtidige modeller for materialeadfærd, der kan hjælpe med design af nye materialer.