Forskere afslører egenskaber i nanokompositoxidkeramik til reaktorbrændstof

Nanokompositoxidkeramik har potentielle anvendelser som ferroelektrik, hurtige ionledere, og nukleart brændsel og til opbevaring af nukleart affald, skabe stor videnskabelig interesse for strukturen, ejendomme, og anvendelser af disse blandede materialer.

"Grænsefladerne, der adskiller de forskellige krystallinske områder, bestemmer transporten, elektriske, og strålingsegenskaber for materialet som helhed, " sagde Pratik Dholabhai, ledende Los Alamos National Laboratory-forsker på projektet. "Det er i den kemiske sammensætning af disse grænseflader, hvor vi kan forbedre funktioner såsom tolerance over for strålingsskader og hurtig ionledning."

En komposit er et materiale, der indeholder korn, eller bidder, af flere forskellige materialer. I en nanokomposit, størrelsen af ​​hvert af disse korn er i størrelsesordenen nanometer, omkring 1000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. I forbindelse med atomenergi, kompositter er blevet foreslået til selve brændstoffet, som en måde f.eks. at forbedre materialets grundlæggende egenskaber, såsom den termiske ledningsevne. Det er den termiske ledningsevne, der dikterer, hvor effektivt energi kan udvindes fra brændstoffet. Kompositter er også blevet skabt til at lagre biprodukterne fra atomenergikredsløbet, atomaffald, hvor de forskellige komponenter i kompositten kan opbevare hver sin del af affaldet.

Imidlertid, kompositter har meget bredere anvendelsesmuligheder. Grænsefladerne giver områder med unikke elektroniske og ioniske egenskaber og er blevet undersøgt for at forbedre ledningsevnen til applikationer relateret til batterier og brændselsceller.

Mysterier om mistilpassede dislokationer

Ved at bruge simuleringer, der eksplicit redegør for hvert atoms position i materialet, Los Alamos forskerhold undersøgte grænsefladen mellem SrTiO3 og MgO, demonstrere, for første gang, en stærk afhængighed af dislokationsstrukturen ved oxidheterogrænseflader på termineringskemien. SrTiO3 kan ses som en lagkage, med skiftende planer af SrO og TiO2. Dermed, i princippet, når SrTiO3 matches med et andet materiale, der er et valg om hvilket lag der er i kontakt med det andet materiale. Simuleringerne afslører, at SrO- og TiO2-terminerede grænseflader udviser bemærkelsesværdigt forskellige atomare strukturer. Disse strukturer, kendetegnet ved såkaldte misfit dislokationer, der dannes, når de to materialer ikke passer nøjagtigt i størrelse, diktere grænsefladens funktionelle egenskaber, såsom ledningsevnen.

Det observerede forhold mellem termineringskemien og grænsefladens dislokationsstruktur tilbyder potentielle muligheder for at skræddersy transportegenskaber og modstandsdygtighed over for strålingsskader af oxidnanokompositter ved at kontrollere termineringskemien ved grænsefladen. Dette kan føre til nye funktionelle materialer på en række teknologiske områder. "Vi tror, ​​at denne opdagelse, at grænsefladestrukturen er følsom over for grænsefladens kemi, vil åbne døren for nye forskningsretninger i oxid nanokompositter, " sagde Blas Uberuaga, ledende forsker på indsatsen.