Materialen die worden blootgesteld aan neutronenstraling hebben de neiging om aanzienlijke schade te ondervinden, wat leidt tot de inperkingsuitdagingen die gepaard gaan met het immobiliseren van nucleair afval of opsluitingen van kerncentrales. Op nanoschaal is deze invallende neutronen botsen met de atomen van een materiaal dat, beurtelings, dan botsen met elkaar enigszins verwant aan biljart. Het resulterende wanordelijke atomaire netwerk en zijn fysieke eigenschappen lijken op die van sommige glasachtige materialen, wat velen in het veld ertoe heeft gebracht ze in nucleair onderzoek te gebruiken.

Maar de overeenkomsten tussen de materialen zijn misschien niet zo nuttig als eerder werd gedacht, volgens nieuwe resultaten die deze week in The Journal of Chemical Physics .

De ongeordende atomaire netwerken van glasachtige substanties zijn het resultaat van verglazing, de transformatie van een stof in glas door smelten en (meestal) snelle daaropvolgende afkoeling. Tijdens deze afkoeling of blussen, atomen hebben geen tijd om zich op een georganiseerde manier te vestigen, en in plaats daarvan een ongeordend atomair netwerk vormen. Dit leidde een groep onderzoekers van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA) en Oak Ridge National Laboratory om de vraag te onderzoeken:hebben bestraling en verglazing dezelfde impact op de atomaire structuur van materialen?

Om een ​​antwoord te vinden, verkenden ze kwarts, een eenvoudig maar alomtegenwoordig materiaal in de natuur dat wordt gebruikt voor talloze technische toepassingen.

Traditionele experimenten laten onderzoekers niet toe om atomen direct te "zien", vooral binnen ongeordende materialen. Dus, voor hun studie, de groep vertrouwde op atomistische simulaties met behulp van de moleculaire dynamica-techniek.

"De moleculaire dynamicatechniek is gebaseerd op het numeriek oplossen van de bewegingswetten van Newton voor een groep van op elkaar inwerkende atomen, zei Mathieu Bauchy, een assistent-professor in de afdeling Civiele en Milieutechniek aan de UCLA. "Alle atomen oefenen een kracht op elkaar uit die kan worden gebruikt om de versnelling van elk atoom in de loop van de tijd te berekenen."

Op basis van deze techniek, ze waren in staat om de door straling geïnduceerde wanorde van kwarts te simuleren door de atomen van het netwerk achtereenvolgens in botsing te brengen met fictieve invallende neutronen.

"We hebben ook de verglazing van kwarts gesimuleerd door de atomen te verhitten en snel te blussen, ' zei Bauchy. 'Eindelijk, we vergeleken de resulterende atomaire structuur van deze twee ongeordende materialen."

Ze ontdekten verrassende verschillen.

"Heel onverwacht, we ontdekten dat de wanorde veroorzaakt door bestraling van aard verschilt van die veroorzaakt door verglazing, " zei Bauchy. "Dit is nogal verrassend omdat glazen en zwaar bestraalde materialen typisch dezelfde dichtheid vertonen, zodat brillen vaak als model worden gebruikt om het effect van de blootstelling aan straling op materialen te simuleren."

In tegenstelling tot, de resultaten van de onderzoekers suggereren dat bestraalde materialen meer ongeordend zijn dan glazen. "De atomaire structuur van bestraalde materialen is eigenlijk dichter bij die van een vloeistof dan bij die van een glas, ' zei Bauchy.

De bevindingen van de groep hebben mogelijk ernstige gevolgen voor de selectie van materialen voor nucleaire toepassingen.

"Eerst, we suggereren dat de huidige modellen de omvang van de schade die wordt vertoond door materialen die worden blootgesteld aan bestraling, onderschatten, die duidelijke veiligheidsproblemen oproept, " zei NM Anoop Krishnan, een postdoctoraal onderzoeker ook aan de UCLA. "Tweede, de verschillende aard van door bestraling en verglazing veroorzaakte wanorde suggereert dat glazen ook door bestraling kunnen worden aangetast."

Dit is een belangrijke ontdekking omdat brillen, waarvan wordt aangenomen dat ze "zelfgenezen" onder bestraling, worden vaak gebruikt om kernafval te immobiliseren via verglazing.

"Van deze afvalvormen wordt verwacht dat ze miljoenen jaren stabiel blijven als ze eenmaal zijn gestort in geologische opslagplaatsen, dus ons gebrek aan begrip van het effect van bestraling is een echte zorg, ' zei Krishnan.

Volgende, de groep is van plan om het effect van bestraling op veel voorkomende aggregaten in het beton van kerncentrales en op immobilisatieglazen voor kernafval te onderzoeken. "Uiteindelijk, ons doel is om nieuwe modellen te ontwikkelen om het langetermijneffect van bestraling op de structuur en eigenschappen van materialen te voorspellen, ' zei Bauchy.