Wetenschappers ontdekten een zelfherstellende cyclus voor defecten in keramiek, voorspeld door geavanceerde simulaties op atomair niveau. Bestraling veroorzaakt defecten en zorgt ervoor dat de geordende atomaire structuur ontregeld raakt. Simulaties toonden aan dat het creëren van een drempelwaarde van wanorde ervoor zorgde dat de verplaatste atomen sneller gingen bewegen. Dit versnelde de vernietiging van de defecten en genas de structuur.

Hoe atomen bewegen in complexe keramische oxiden is sterk verbonden met de lokale structuur. Schade aan de atomaire structuur ontstaat wanneer ze worden blootgesteld aan bestraling of verhitting. Hoe defecten de beweging van atomen in de loop van de tijd beïnvloeden, is essentieel om te begrijpen hoe de eigenschappen van materialen veranderen, en hoe u de schade kunt "repareren". Deze verschijnselen ondersteunen de eigenschappen en levensduur van de materialen voor stralingsweerstand bij energieopwekking en insluiting van radioactief afval.

Diffusie in complexe keramische oxiden is van cruciaal belang voor het transport van de samenstellende atomen en de evolutie van de atomaire structuur als gevolg van stralingsschade, sinteren, en veroudering. Bij deze materialen de individuele atomen dragen een lading die de structuren samenbindt; negatief en positief geladen ionen worden anionen en kationen genoemd, respectievelijk. In complexe oxiden die meer dan één type kation bevatten, zoals pyrochloren, de migratie van de ionen door de atomaire structuur, of diffusie, en de geleidbaarheid wordt dramatisch beïnvloed door wanorde, of de manier waarop de kationen in het kristal zijn gerangschikt. Vooral, diffusie en geleidbaarheid zijn bijzonder gevoelig voor kationstoornissen. interessant, deze kationstoornis vormt ook de kern van het vermogen van het materiaal om zijn kristalliniteit te behouden bij bestraling. Dit is de reden waarom pyrochloren worden beschouwd als kandidaten om kernafval in te kapselen. Stoornis helpt zowel de geleidbaarheid als de stralingsweerstand. Echter, er is weinig bekend over de invloed van wanorde op het kationentransport.

In dit onderzoek, wetenschappers onderzochten kationdiffusie gemedieerd door defecten in het pyrochloorgadolinium-titaanoxide (Gd2Ti2O7). De defecten waren ontbrekende atomen in de atomaire structuur die vacatures worden genoemd. Wetenschappers gebruikten standaard en versnelde moleculaire dynamica-simulaties om atomaire bewegingen te volgen en diffusie beter te begrijpen. Deze simulaties vinden plaats over een microseconde (een miljoenste van een seconde). In vergelijking, typische atomaire simulaties worden uitgevoerd om nanoseconden (miljardste van een seconde) van atomaire bewegingen te bestuderen vanwege de enorme rekenkosten van het uitvoeren van langere simulaties. Maar met nieuwe computationele technieken om de dynamiek van de atomen te vereenvoudigen, wetenschappers hebben de berekeningen versneld en mogelijke tijden verlengd die door deze simulaties kunnen worden onderzocht.

Ze ontdekten dat kationdiffusie langzaam is bij lage niveaus van wanorde. Zodra het niveau van wanorde een drempelwaarde overschrijdt, de diffusie van kationen is sneller. De sleutel tot dit resultaat was "anti-site-defecten". Dit is waar een kation (gallium, in dit geval) neemt een plaats in waar het andere kation (titanium, in dit geval) hoort te zijn. Op een kritisch drempelniveau, de anti-site-defecten zijn in wezen "aanraken" en creëren wat een percolatienetwerk wordt genoemd. Dit netwerk zorgt ervoor dat de kationen snel door het rooster kunnen bewegen. Wanneer de anti-site defecten worden vernietigd, de structuur kan opnieuw worden geordend - in wezen toestaan ​​​​dat de structuur zichzelf geneest. Deze genezing, beurtelings, vertraagt ​​de kationdiffusie. De diffusie van kationen nam toe naarmate het materiaal meer wanordelijk werd door bestraling en nam af naarmate het materiaal opnieuw werd geordend. Deze cyclus van zelfgenezing verschilt van waarnemingen in andere complexe oxiden en ongeordende modellen. Dit onderzoek suggereert een fundamenteel andere relatie tussen wanorde en massatransport. Deze inzichten kunnen de levensduur verbeteren van complexe keramiek die wordt gebruikt in toepassingen met extreme omgevingen zoals bestraling.