Grijze en witte vlekken glijden onregelmatig op een computerscherm. Een torenhoge microscoop doemt op boven een landschap van elektronische en optische apparatuur. In de microscoop bombarderen hoogenergetische, versnelde ionen een vlok platina die dunner is dan een haar op de rug van een mug. Ondertussen bestudeert een team van wetenschappers de schijnbaar chaotische weergave, op zoek naar aanwijzingen om uit te leggen hoe en waarom materialen degraderen in extreme omgevingen.

Deze wetenschappers zijn gevestigd in Sandia en geloven dat de sleutel tot het voorkomen van grootschalige, catastrofale storingen in bruggen, vliegtuigen en energiecentrales is om - zeer nauwkeurig - te kijken naar schade zoals deze voor het eerst verschijnt op atomair en nanoschaalniveau.

"Als mensen zien we de fysieke ruimte om ons heen, en we stellen ons voor dat alles permanent is", zei materiaalwetenschapper Brad Boyce van Sandia. "We zien de tafel, de stoel, de lamp, de lichten, en we stellen ons voor dat hij er altijd zal zijn, en het is stabiel. Maar we hebben ook de menselijke ervaring dat dingen om ons heen onverwachts kunnen breken. En dat is het bewijs dat deze dingen zijn helemaal niet stabiel. De realiteit is dat veel van de materialen om ons heen onstabiel zijn."

Maar de grondwaarheid over hoe falen atoom voor atoom begint, is grotendeels een mysterie, vooral in complexe, extreme omgevingen zoals de ruimte, een fusiereactor of een kerncentrale. Het antwoord wordt vertroebeld door gecompliceerde, onderling verbonden processen die een mix van gespecialiseerde expertise vereisen om uit te zoeken.

Het team publiceerde onlangs in het tijdschrift Science Advances onderzoeksresultaten naar de destabiliserende effecten van straling. Hoewel de bevindingen beschrijven hoe metalen degraderen vanuit een fundamenteel perspectief, kunnen de resultaten ingenieurs mogelijk helpen de reactie van een materiaal op verschillende soorten schade te voorspellen en de betrouwbaarheid van materialen in omgevingen met intense straling te verbeteren.

Tegen de tijd dat een kerncentrale bijvoorbeeld de pensioengerechtigde leeftijd bereikt, kunnen leidingen, kabels en insluitingssystemen in de reactor gevaarlijk broos en zwak zijn. Decennia van blootstelling aan hitte, stress, trillingen en een constant spervuur ​​van straling breken materialen sneller dan normaal af. Vroeger sterke constructies worden onbetrouwbaar en onveilig, alleen geschikt voor ontsmetting en verwijdering.

"Als we deze mechanismen kunnen begrijpen en ervoor kunnen zorgen dat toekomstige materialen in principe worden aangepast om deze afbraakroutes te minimaliseren, dan kunnen we misschien meer leven halen uit de materialen waarop we vertrouwen, of op zijn minst beter anticiperen wanneer ze gaan te mislukken, zodat we dienovereenkomstig kunnen reageren," zei Brad.

Het onderzoek werd gedeeltelijk uitgevoerd in het Center for Integrated Nanotechnologies, een gebruikersfaciliteit van het Office of Science die voor DOE wordt beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos.

Onderzoek op atoomschaal kan metalen beschermen tegen schade

Metalen en keramiek zijn opgebouwd uit microscopisch kleine kristallen, ook wel korrels genoemd. Hoe kleiner de kristallen, hoe sterker de materialen zijn. Wetenschappers hebben al aangetoond dat het mogelijk is om een ​​metaal te versterken door ongelooflijk kleine kristallen van nanoformaat te maken.

"Je kunt puur koper nemen en door het zo te verwerken dat de korrels nanogrootte hebben, kan het zo sterk worden als sommige staalsoorten," zei Brad.

Maar straling vernietigt en verandert permanent de kristalstructuur van korrels, waardoor metalen verzwakken. Een enkel stralingsdeeltje raakt een metaalkristal zoals een speelbal een keurig geordende set biljartballen breekt, zei Rémi Dingreville, een computersimulatie- en theorie-expert van het team. Straling raakt misschien maar één atoom, maar dat atoom springt dan uit zijn plaats en botst met anderen in een chaotisch domino-effect.

In tegenstelling tot een speelbal, zei Rémi, bevatten stralingsdeeltjes zoveel warmte en energie dat ze de plek waar ze raken tijdelijk kunnen smelten, wat ook het metaal verzwakt. En in omgevingen met veel straling leven structuren in een nooit eindigende hagelstorm van deze deeltjes.

Het Sandia-team wil de veranderingen op atomaire schaal in metalen die straling veroorzaakt, vertragen of zelfs stoppen. Om dat te doen, werken de onderzoekers als forensische onderzoekers die plaats delict repliceren om echte te begrijpen. Hun Science Advances-paper beschrijft een experiment waarin ze hun krachtige, sterk aangepaste elektronenmicroscoop gebruikten om de schade in de platinametaalkorrels te bekijken.

Teamlid Khalid Hattar is al meer dan tien jaar bezig met het aanpassen en upgraden van deze microscoop, die momenteel is gehuisvest in Sandia's Ion Beam Laboratory. Dit unieke instrument kan materialen blootstellen aan allerlei elementen, waaronder hitte, cryogene kou, mechanische belasting en een reeks gecontroleerde straling, chemische en elektrische omgevingen. Het stelt wetenschappers in staat om degradatie microscopisch en in realtime te bekijken. Het Sandia-team combineerde deze dynamische waarnemingen met microscopie met nog hogere vergroting, waardoor ze de atomaire structuur van de grenzen tussen de korrels konden zien en konden bepalen hoe de bestraling deze veranderde.

Maar dergelijk forensisch werk gaat gepaard met uitdagingen.

"Ik bedoel, dit zijn extreem moeilijke problemen", zei Doug Medlin, een ander lid van het Sandia-team. Brad vroeg de hulp van Doug bij het project vanwege zijn diepgaande expertise in het analyseren van korrelgrenzen. Doug bestudeert soortgelijke problemen sinds de jaren negentig.

"We beginnen met een exemplaar met een diameter van misschien drie millimeter wanneer ze het in de elektronenmicroscoop steken," zei Doug. "En dan zoomen we in naar dimensies die slechts een paar atomen breed zijn. En dus is er alleen dat praktische aspect van:hoe ga je dingen vinden voor en na het experiment? En hoe begrijp je dan die atomistische arrangementen op een zinvolle manier?"

Door afbeeldingen op atomaire schaal te combineren met video op nanoschaal die tijdens het experiment werd verzameld, ontdekte het team dat de bestraling van platina ervoor zorgt dat de grenzen tussen korrels verschuiven.

Computersimulaties helpen oorzaak en gevolg te verklaren

Na het experiment was hun volgende uitdaging om wat ze zagen in afbeeldingen en video te vertalen naar wiskundige modellen. This is difficult when some atoms might be dislocated because of physical collisions, while others might be moving around because of localized heating. To separate the effects, experimentalists turn to theoreticians like Rémi.

"Simulating radiation damage at the atomic scale is very (computationally) expensive," Rémi said. Because there are so many moving atoms, it takes a lot of time and processing power on high-performance computers to model the damage.

Sandia has some of the best modeling capabilities and expertise in the world, he said. Researchers commonly measure the amount of damage radiation causes to a material in units called displacements per atom, or dpa for short. Typical computer models can simulate up to around 0.5 dpa worth of damage. Sandia models can simulate up to 10 times that, around 5 dpa.

In fact, the combination of in-house expertise in atomic microscopy, the ability to reproduce extreme radiation environments and this specialized niche of computer modeling makes Sandia one of few places in the world where this research can take place, Rémi said.

But even Sandia's high-end software can only simulate a few seconds' worth of radiation damage. An even better understanding of the fundamental processes will require hardware and software that can simulate longer spans of time. Humans have been making and breaking metals for centuries, so the remaining knowledge gaps are complex, Brad said, requiring expert teams that spend years honing their skills and refining their theories. Doug said the long-term nature of the research is one thing that has attracted him to this field of work for nearly 30 years.

"I guess that's what drives me," he said. "It's this itch to figure it out, and it takes a long time to figure it out." + Verder verkennen

Using electron microscopy and automatic atom-tracking to learn more about grain boundaries in metals during deformation