Durante medio siglo Los investigadores han visto bucles de átomos desplazados que aparecen dentro del acero del reactor nuclear después de la exposición a la radiación. pero nadie pudo averiguar cómo.

Ahora, una simulación realizada por investigadores de la Universidad de Michigan, La Universidad de Hunan (China) y el Instituto Politécnico Rensselaer han demostrado que una onda de choque produce estos bucles en el hierro. El resultado podría ayudar a los ingenieros a diseñar mejor acero resistente a la radiación para reactores, o acero más resistente en general.

Hierro y acero, como la mayoría de los metales, se organizan en una red cristalina, una disposición de átomos basada en un patrón repetido. En este caso, es un cubo con un átomo en cada esquina y uno en el centro. La radiación y otras tensiones pueden crear una variedad de defectos.

En defectos de "bucle", los átomos fuera de lugar forman anillos rugosos. Algunos bucles pueden viajar a través de la celosía, y su movilidad significa que no se interponen en el camino de la flexión del acero. Pero el defecto en cuestión (conocido como <100> bucle de dislocación intersticial) tiende a quedarse. Colocado de forma incontrolada, estos bucles estacionarios causan fragilidad, pero si fueron colocados deliberadamente, podrían fortalecer el acero mejorando su rigidez.

"Ahora que conocemos el mecanismo, podemos reducir el daño por radiación limitando la energía de las partículas a las que están expuestos los materiales, "dijo Qing Peng, un investigador en el laboratorio de Fei Gao, profesor de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas.

"También podemos usarlo para diseñar el defecto dentro de los materiales. Dependiendo de la energía, puede generar diferentes tipos de dislocaciones para ajustar las propiedades del material ".

Cinco explicaciones anteriores están en marcha para explicar los misteriosos bucles, pero ninguno es particularmente satisfactorio porque todos requieren condiciones especiales y tiempos relativamente largos para crear los bucles.

Dado que los defectos parecen demasiado rápidos para medirlos, los investigadores esperaban poder simular el mecanismo en una computadora. Pero eso tampoco sucedió. Supusieron que les tomó demasiado tiempo trazar un mapa de sus trayectorias en tiempo real, simplemente no había suficiente energía para simular todos esos átomos en un tiempo razonable.

Esa última observación resultó ser parcialmente cierta:había demasiados átomos para modelar. Pero el proceso en sí fue corto; el problema era hacer que el volumen de hierro fuera lo suficientemente grande como para provocar la reacción.

"Si la simulación es demasiado pequeña, una partícula de alta energía simplemente la atraviesa. Sin reacción, "Dijo Peng.

El equipo de Gao creó un modelo informático de una caja de 200 millones de átomos de hierro, dispuestas en la típica celosía, y golpeó con una partícula de alta energía. Lo que vieron fue una poderosa onda de choque que atravesaba el enrejado, ramificándose en diferentes direcciones.

Millones de átomos de hierro fueron desplazados de sus lugares, y millones de ellos volvieron a caer en la celosía cuando la ola se disipó. Atrás quedaron cientos de defectos "puntuales" en los que átomos individuales estaban fuera de lugar, y un puñado de bucles. Muchos de estos eran bucles que pueden viajar, que no son una de las principales causas de fragilidad, pero a menudo uno o dos eran del tipo estacionario.

Resultó que los bucles se crearon en la onda de choque inicial, un proceso que toma solo 13 billonésimas de segundo más o menos. Esta explicación salió a flote ya hace 40 años, pero se utilizó para explicar defectos que aparecían en líneas en lugar de bucles cerrados.

Ahora que se conoce el mecanismo, Se pueden utilizar modelos informáticos similares para recomendar las condiciones de funcionamiento de las aleaciones de acero en entornos con radiación. Las partículas menos energéticas no crearán ondas de choque lo suficientemente fuertes como para producir este defecto.

O, defectos como este pueden colocarse deliberadamente en acero para mejorar su rigidez. Estos bucles estacionarios de átomos, atascado entre otros átomos en el cristal, hacer más difícil que el acero se doble.