(Phys.org) — Om de volgende generatie kernreactoren te bouwen, materiaalwetenschappers proberen de geheimen te ontrafelen van bepaalde materialen die bestand zijn tegen stralingsschade. Nu hebben onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) een nieuw inzicht gegeven in een van die geheimen:hoe de grensvlakken tussen twee zorgvuldig geselecteerde metalen kunnen absorberen, of genezen, straling schade.

"Als het gaat om het selecteren van de juiste structurele materialen voor geavanceerde kernreactoren, het is van cruciaal belang dat we stralingsschade en de effecten ervan op materiaaleigenschappen begrijpen. En we moeten deze effecten op geïsoleerde kleinschalige kenmerken bestuderen, " zegt Julia R. Greer, een assistent-professor materiaalkunde en mechanica bij Caltech. Met dat in gedachten, Greer en collega's van Caltech, Sandia Nationale Laboratoria, UC Berkeley, en Los Alamos National Laboratory hebben door straling veroorzaakte schade van naderbij bekeken, inzoomen tot op nanoschaal - waar lengtes worden gemeten in miljardsten meters. Hun resultaten verschijnen online in de tijdschriften Geavanceerde functionele materialen en Klein .

Tijdens nucleaire bestraling, energetische deeltjes zoals neutronen en ionen verdringen atomen van hun reguliere roosterplaatsen in de metalen waaruit een reactor bestaat, het veroorzaken van cascades van botsingen die uiteindelijk materialen zoals staal beschadigen. Een van de bijproducten van dit proces is de vorming van heliumbellen. Omdat helium niet oplost in vaste materialen, het vormt onder druk staande gasbellen die kunnen samenvloeien, het materiaal poreus maken, bros, en daardoor vatbaar voor breuk.

Sommige nano-gemanipuleerde materialen zijn bestand tegen dergelijke schade en kunnen, bijvoorbeeld, voorkomen dat heliumbellen samenvloeien tot grotere holtes. Bijvoorbeeld, sommige metalen nanolaminaten - materialen die bestaan ​​uit extreem dunne afwisselende lagen van verschillende metalen - zijn in staat om verschillende soorten stralingsgeïnduceerde defecten aan de grensvlakken tussen de lagen te absorberen vanwege de mismatch die bestaat tussen hun kristalstructuren.

"Mensen hebben een idee, uit berekeningen, van wat de interfaces als geheel kunnen doen, en ze weten uit experimenten wat hun gecombineerde globale effect is. Wat ze niet weten is wat precies een individuele interface doet en welke specifieke rol de nanoschaaldimensies spelen, ' zegt Greer. 'En dat hebben we kunnen onderzoeken.'

Peri Landau en Guo Qiang, beide postdoctorale wetenschappers in het laboratorium van Greer ten tijde van deze studie, gebruikte een chemische procedure genaamd galvaniseren om ofwel miniatuurpilaren van puur koper te laten groeien of pilaren die precies één interface bevatten - waarin een ijzerkristal bovenop een koperkristal zit. Vervolgens, werken met partners bij Sandia en Los Alamos, om het effect van heliumbestraling na te bootsen, ze implanteerden die nanopilaren met heliumionen, zowel direct op de interface als, in afzonderlijke experimenten, over de hele pilaar.

De onderzoekers gebruikten vervolgens een uniek nanomechanisch testinstrument, genaamd de SEMentor, die zich bevindt in de kelder van het W. M. Keck Engineering Laboratories-gebouw in Caltech, om zowel de kleine pilaren samen te drukken als eraan te trekken als een manier om meer te weten te komen over de mechanische eigenschappen van de pilaren - hoe hun lengte veranderde wanneer een bepaalde spanning werd uitgeoefend, en waar ze braken, bijvoorbeeld.

"Deze experimenten zijn zeer, heel delicaat, " zegt Landau. "Als je erover nadenkt, elk van de pilaren - die slechts 100 nanometer breed en ongeveer 700 nanometer lang zijn - is duizend keer dunner dan een enkele haarlok. We kunnen ze alleen zien met microscopen met een hoge resolutie."

Het team ontdekte dat zodra ze een kleine hoeveelheid helium in een pilaar hadden gestoken op het grensvlak tussen de ijzer- en koperkristallen, de sterkte van de zuil nam met meer dan 60 procent toe in vergelijking met een zuil zonder helium. Er werd zoveel verwacht, Landau legt uit, omdat "doorstralingsverharding een bekend fenomeen is in bulkmaterialen." Echter, ze merkt op, dergelijke verharding is typisch gekoppeld aan verbrossing, "en we willen niet dat materialen broos zijn."

Verrassend genoeg, ontdekten de onderzoekers dat in hun nanopilaren, de toename in kracht ging niet samen met verbrossing, ofwel toen het helium op het grensvlak werd geïmplanteerd, of wanneer het breder werd verspreid. Inderdaad, Greer en haar team vonden, het materiaal kon zijn taaiheid behouden omdat het grensvlak zelf onder spanning geleidelijk kon vervormen.

Dit betekent dat in een metallisch nanolaminaatmateriaal, kleine heliumbellen kunnen migreren naar een interface, die nooit meer dan enkele tientallen nanometers verwijderd is, in wezen het materiaal genezen. "Wat we laten zien is dat het niet uitmaakt of de bubbel zich binnen de interface bevindt of gelijkmatig verdeeld is - de pijlers falen nooit in een catastrofale, abrupte mode, " zegt Greer. Ze merkt op dat de geïmplanteerde heliumbellen - die worden beschreven in de Advanced Functional Materials-paper - een tot twee nanometer in diameter waren; in toekomstige studies, de groep zal het experiment herhalen met grotere bellen bij hogere temperaturen om aanvullende voorwaarden met betrekking tot stralingsschade weer te geven.

In de kleine krant, toonden de onderzoekers aan dat zelfs nanopilaren die volledig van koper zijn gemaakt, zonder gelaagdheid van metalen, door bestraling veroorzaakte verharding vertoonden. Dat staat in schril contrast met de resultaten van eerder werk van andere onderzoekers aan met protonen bestraalde koperen nanopilaren, die dezelfde sterke punten vertoonden als degenen die niet waren bestraald. Greer zegt dat dit wijst op de noodzaak om verschillende soorten door straling veroorzaakte defecten op nanoschaal te evalueren, omdat ze misschien niet allemaal dezelfde effecten op materialen hebben.

Hoewel het waarschijnlijk is dat niemand binnenkort kernreactoren zal bouwen uit nanopilaren, Greer stelt dat het belangrijk is om te begrijpen hoe individuele interfaces en nanostructuren zich gedragen. "Dit werk leert ons in feite wat materialen het vermogen geeft om stralingsschade te genezen - welke toleranties ze hebben en hoe ze te ontwerpen, " zegt ze. Die informatie kan worden opgenomen in toekomstige modellen van materiaalgedrag die kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen.