Manchas grises y blancas se deslizan erráticamente en la pantalla de una computadora. Un microscopio imponente se cierne sobre un paisaje de equipos electrónicos y ópticos. Dentro del microscopio, iones acelerados de alta energía bombardean una escama de platino más delgada que un cabello en la espalda de un mosquito. Mientras tanto, un equipo de científicos estudia la pantalla aparentemente caótica, en busca de pistas que expliquen cómo y por qué los materiales se degradan en ambientes extremos.

Con base en Sandia, estos científicos creen que la clave para prevenir fallas catastróficas a gran escala en puentes, aviones y plantas de energía es observar, muy de cerca, el daño tal como aparece por primera vez a niveles atómicos y de nanoescala.

"Como humanos, vemos el espacio físico que nos rodea e imaginamos que todo es permanente", dijo Brad Boyce, científico de materiales de Sandia. "Vemos la mesa, la silla, la lámpara, las luces, e imaginamos que siempre va a estar allí, y es estable. Pero también tenemos esta experiencia humana de que las cosas que nos rodean pueden romperse inesperadamente. Y esa es la evidencia de que estos las cosas no son realmente estables en absoluto. La realidad es que muchos de los materiales que nos rodean son inestables".

Pero la verdad básica sobre cómo comienza la falla átomo por átomo es en gran medida un misterio, especialmente en entornos complejos y extremos como el espacio, un reactor de fusión o una planta de energía nuclear. La respuesta está oscurecida por procesos complicados e interconectados que requieren una combinación de experiencia especializada para resolverlos.

El equipo publicó recientemente en la revista Science Advances resultados de la investigación sobre los efectos desestabilizadores de la radiación. Si bien los hallazgos describen cómo se degradan los metales desde una perspectiva fundamental, los resultados podrían ayudar a los ingenieros a predecir la respuesta de un material a diferentes tipos de daños y mejorar la confiabilidad de los materiales en entornos de radiación intensa.

Por ejemplo, cuando una planta de energía nuclear alcanza la edad de retiro, las tuberías, los cables y los sistemas de contención dentro del reactor pueden ser peligrosamente frágiles y débiles. Décadas de exposición al calor, el estrés, la vibración y un aluvión constante de radiación descomponen los materiales más rápido de lo normal. Las estructuras que antes eran sólidas se vuelven poco confiables e inseguras, aptas solo para descontaminación y eliminación.

"Si podemos comprender estos mecanismos y asegurarnos de que los materiales futuros estén, básicamente, adaptados para minimizar estas vías de degradación, entonces tal vez podamos obtener más vida útil de los materiales en los que confiamos, o al menos anticiparnos mejor cuando se vayan". fallar para que podamos responder en consecuencia", dijo Brad.

La investigación se realizó, en parte, en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias operada para el DOE por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos.

La investigación a escala atómica podría proteger a los metales del daño

Los metales y las cerámicas están formados por cristales microscópicos, también llamados granos. Cuanto más pequeños son los cristales, más fuertes tienden a ser los materiales. Los científicos ya han demostrado que es posible fortalecer un metal mediante la ingeniería de cristales nanométricos increíblemente pequeños.

"Puede tomar cobre puro y procesarlo para que los granos sean de tamaño nanométrico, puede llegar a ser tan fuerte como algunos aceros", dijo Brad.

Pero la radiación aplasta y altera permanentemente la estructura cristalina de los granos, debilitando los metales. Una sola partícula de radiación golpea un cristal de metal como una bola blanca rompe un juego de bolas de billar perfectamente ordenadas, dijo Rémi Dingreville, un experto en teoría y simulación por computadora del equipo. Es posible que la radiación solo golpee a un átomo de frente, pero ese átomo se sale de su lugar y choca con otros en un caótico efecto dominó.

A diferencia de una bola blanca, dijo Rémi, las partículas de radiación acumulan tanto calor y energía que pueden derretir momentáneamente el lugar donde golpean, lo que también debilita el metal. Y en entornos de radiación intensa, las estructuras viven en una tormenta de granizo interminable de estas partículas.

El equipo de Sandia quiere ralentizar, o incluso detener, los cambios a escala atómica en los metales que provoca la radiación. Para hacer eso, los investigadores trabajan como investigadores forenses replicando escenas del crimen para comprender las reales. Su artículo Science Advances detalla un experimento en el que utilizaron su microscopio electrónico altamente personalizado y de alta potencia para ver el daño en los granos de metal de platino.

El miembro del equipo Khalid Hattar ha estado modificando y mejorando este microscopio durante más de una década, actualmente alojado en el Laboratorio de haz de iones de Sandia. Este instrumento único en su tipo puede exponer materiales a todo tipo de elementos, incluidos calor, frío criogénico, tensión mecánica y una variedad de entornos de radiación, químicos y eléctricos controlados. Permite a los científicos observar la degradación microscópicamente, en tiempo real. El equipo de Sandia combinó estas observaciones dinámicas con microscopía de mayor aumento, lo que les permitió ver la estructura atómica de los límites entre los granos y determinar cómo la irradiación la alteró.

Pero ese trabajo forense está plagado de desafíos.

"Quiero decir, estos son problemas extremadamente difíciles", dijo Doug Medlin, otro miembro del equipo de Sandia. Brad solicitó la ayuda de Doug en el proyecto debido a su profunda experiencia en el análisis de límites de grano. Doug ha estado estudiando problemas similares desde la década de 1990.

"Estamos partiendo de una muestra de unos tres milímetros de diámetro cuando la introducen en el microscopio electrónico", dijo Doug. "Y luego nos estamos acercando a dimensiones que tienen solo unos pocos átomos de ancho. Y entonces, solo existe ese aspecto práctico de:¿Cómo vas y encuentras cosas antes y después del experimento? Y luego, ¿cómo le das sentido a esos arreglos atomísticos de una manera significativa?"

Al combinar imágenes a escala atómica con videos a nanoescala recopilados durante el experimento, el equipo descubrió que la irradiación del platino hace que los límites entre los granos se muevan.

Computer simulations help explain cause and effect

After the experiment, their next challenge was to translate what they saw in images and video into mathematical models. This is difficult when some atoms might be dislocated because of physical collisions, while others might be moving around because of localized heating. To separate the effects, experimentalists turn to theoreticians like Rémi.

"Simulating radiation damage at the atomic scale is very (computationally) expensive," Rémi said. Because there are so many moving atoms, it takes a lot of time and processing power on high-performance computers to model the damage.

Sandia has some of the best modeling capabilities and expertise in the world, he said. Researchers commonly measure the amount of damage radiation causes to a material in units called displacements per atom, or dpa for short. Typical computer models can simulate up to around 0.5 dpa worth of damage. Sandia models can simulate up to 10 times that, around 5 dpa.

In fact, the combination of in-house expertise in atomic microscopy, the ability to reproduce extreme radiation environments and this specialized niche of computer modeling makes Sandia one of few places in the world where this research can take place, Rémi said.

But even Sandia's high-end software can only simulate a few seconds' worth of radiation damage. An even better understanding of the fundamental processes will require hardware and software that can simulate longer spans of time. Humans have been making and breaking metals for centuries, so the remaining knowledge gaps are complex, Brad said, requiring expert teams that spend years honing their skills and refining their theories. Doug said the long-term nature of the research is one thing that has attracted him to this field of work for nearly 30 years.

"I guess that's what drives me," he said. "It's this itch to figure it out, and it takes a long time to figure it out." + Explora más

Using electron microscopy and automatic atom-tracking to learn more about grain boundaries in metals during deformation