Los materiales expuestos a la radiación de neutrones tienden a sufrir daños importantes, lo que lleva a los desafíos de contención que implica la inmovilización de desechos nucleares o confinamientos de plantas nucleares. A nanoescala, estos neutrones incidentes chocan con los átomos de un material que, Sucesivamente, luego chocan entre sí algo parecido al billar. La red atómica desordenada resultante y sus propiedades físicas se parecen a las que se ven en algunos materiales vítreos, lo que ha llevado a muchos en el campo a utilizarlos en la investigación nuclear.

Pero las similitudes entre los materiales pueden no ser tan útiles como se pensaba anteriormente, según los nuevos resultados informados esta semana en La Revista de Física Química .

Las redes atómicas desordenadas de sustancias vítreas son el resultado de la vitrificación, la transformación de una sustancia en vidrio mediante su fusión y (típicamente) un rápido enfriamiento posterior. Durante este enfriamiento, o apagando, los átomos no tienen tiempo para asentarse de forma organizada, y en su lugar forman una red atómica desordenada. Esto llevó a un grupo de investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) y el Laboratorio Nacional Oak Ridge para explorar la pregunta:¿La irradiación y la vitrificación tienen el mismo impacto en la estructura atómica de los materiales?

Para encontrar una respuesta, exploraron el cuarzo, un material simple pero omnipresente en la naturaleza utilizado para innumerables aplicaciones de ingeniería.

Los experimentos tradicionales no permiten a los investigadores "ver" los átomos directamente, especialmente dentro de materiales desordenados. Entonces, para su estudio, el grupo se basó en simulaciones atomísticas utilizando la técnica de dinámica molecular.

"La técnica de dinámica molecular se basa en resolver numéricamente las leyes del movimiento de Newton para un grupo de átomos que interactúan, "dijo Mathieu Bauchy, profesor asistente en el departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de UCLA. "Todos los átomos se aplican una fuerza entre sí que se puede utilizar para calcular la aceleración de cada átomo a lo largo del tiempo".

Basado en esta técnica, pudieron simular el desorden del cuarzo inducido por la irradiación colisionando secuencialmente los átomos de la red con neutrones incidentes ficticios.

"También simulamos la vitrificación del cuarzo calentando y apagando rápidamente los átomos, "Dijo Bauchy." Finalmente, comparamos la estructura atómica resultante de estos dos materiales desordenados ".

Descubrieron diferencias sorprendentes.

"De manera bastante inesperada, encontramos que el desorden inducido por la irradiación difiere en la naturaleza del inducido por la vitrificación, ", Dijo Bauchy." Esto es bastante sorprendente porque los vidrios y los materiales fuertemente irradiados exhiben típicamente la misma densidad, de modo que los vidrios se utilizan a menudo como modelos para simular el efecto de la exposición a las radiaciones en los materiales ".

A diferencia de, Los resultados de los investigadores sugieren que los materiales irradiados están más desordenados que los vidrios. "La estructura atómica de los materiales irradiados se acerca más a la de un líquido que a la de un vidrio, "Dijo Bauchy.

Los hallazgos del grupo potencialmente tienen serias implicaciones para la selección de materiales para aplicaciones nucleares.

"Primero, sugerimos que los modelos actuales podrían estar subestimando la magnitud del daño que presentan los materiales sometidos a irradiación, que plantea preocupaciones obvias de seguridad, "dijo N.M. Anoop Krishnan, investigador postdoctoral también en UCLA. "Segundo, las diferentes naturalezas de los trastornos inducidos por la irradiación y la vitrificación sugieren que las gafas también pueden verse afectadas por la irradiación ".

Este es un descubrimiento significativo porque las gafas, que se cree que se "autocuran" bajo irradiación, se utilizan habitualmente para inmovilizar residuos nucleares mediante vitrificación.

"Se espera que estas formas de desechos permanezcan estables durante millones de años una vez que se depositen en depósitos geológicos, por lo que nuestra falta de comprensión del efecto de la irradiación representa una preocupación real, "Krishnan dijo.

Próximo, el grupo planea explorar el efecto de la irradiación en los agregados comunes que se encuentran en el hormigón de las centrales nucleares y en los vidrios de inmovilización de desechos nucleares. "Por último, Nuestro objetivo es desarrollar modelos novedosos para predecir el efecto a largo plazo de la irradiación en la estructura y propiedades de los materiales. "Dijo Bauchy.