La autocuración puede prolongar la vida útil de los materiales cerámicos sujetos a daños por irradiación. Los procesos de irradiación hacen que la estructura atómica ordenada de la cerámica (círculos rojo y azul a la izquierda) se desordene (derecha). Los científicos utilizaron dos técnicas de simulación por computadora para comprender la migración atómica posterior, o difusión:dinámica molecular estándar (datos azules en el gráfico) y acelerada (cuadrados rojos y círculo negro). Las simulaciones revelaron un ciclo de autocuración. A medida que aumentaba el trastorno, la tasa de difusión (eje vertical) permaneció igual hasta que se alcanzó un valor umbral (flecha verde). Después del umbral, se formó una red de percolación y la difusión aumentó bruscamente. Esta difusión más rápida condujo a una recuperación más rápida del orden, haciendo que el material se cure por sí mismo. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Los científicos descubrieron un ciclo de autocuración para defectos en la cerámica predicho por simulaciones avanzadas a nivel atómico. La irradiación crea defectos y hace que la estructura atómica ordenada se desordene. Las simulaciones mostraron que la creación de una cantidad umbral de desorden hizo que los átomos desplazados se movieran más rápido. Esto aceleró la aniquilación de los defectos y curó la estructura.
La forma en que los átomos se mueven en los óxidos cerámicos complejos está fuertemente vinculada a la estructura local. El daño a la estructura atómica se produce cuando se exponen a la irradiación o se calientan. La forma en que los defectos influyen en el movimiento de los átomos a lo largo del tiempo es esencial para comprender cómo cambian las propiedades de los materiales. y cómo "arreglar" el daño. Estos fenómenos sustentan las propiedades y la vida útil de los materiales para la resistencia a la radiación en la generación de energía y la contención de desechos radiactivos.
La difusión en óxidos cerámicos complejos es fundamental para el transporte de los átomos constituyentes y la evolución de la estructura atómica debido al daño por radiación. sinterización y envejecimiento. En estos materiales, los átomos individuales llevan una carga que une las estructuras; Los iones con carga negativa y positiva se denominan aniones y cationes. respectivamente. En óxidos complejos que contienen más de un tipo de catión como piroclores, la migración de los iones a través de la estructura atómica, o difusión, y la conductividad se ve dramáticamente afectada por el desorden, o la forma en que los cationes están dispuestos en el cristal. En particular, la difusión y la conductividad son especialmente sensibles al trastorno catiónico. Curiosamente, este desorden catiónico también está en el corazón de la capacidad del material para mantener su cristalinidad tras la irradiación. Es por esto que los piroclores se consideran candidatos para encapsular desechos nucleares. El trastorno ayuda tanto a la conductividad como a la resistencia a la radiación. Sin embargo, poco se sabe acerca de cómo el trastorno influye en el transporte de cationes.
En este estudio, Los científicos investigaron la difusión de cationes mediada por defectos en el óxido de titanio pirocloro gadolinio (Gd2Ti2O7). Los defectos eran átomos faltantes en la estructura atómica llamados vacantes. Los científicos utilizaron simulaciones de dinámica molecular estándar y acelerada para rastrear los movimientos atómicos y comprender mejor la difusión. Estas simulaciones tienen lugar en un microsegundo (una millonésima de segundo). En comparación, Las simulaciones atómicas típicas se ejecutan para estudiar nanosegundos (mil millonésimas de segundo) de movimientos atómicos debido a los enormes costos computacionales de ejecutar simulaciones más largas. Pero con las nuevas técnicas computacionales para simplificar la dinámica de los átomos, Los científicos han acelerado los cálculos y han alargado los tiempos posibles que pueden ser investigados por estas simulaciones.
Descubrieron que la difusión de cationes es lenta en niveles bajos de desorden. Una vez que el nivel de desorden supera un valor umbral, la difusión de cationes es más rápida. La clave de este resultado fueron los "defectos anti-sitio". Aquí es donde un catión (galio, en este caso) ocupa una posición donde el otro catión (titanio, en este caso) se supone que es. En un nivel de umbral crítico, los defectos anti-sitio son esencialmente "tocantes" y crean lo que se llama una red de filtración. Esta red permite que los cationes se muevan rápidamente a través de la red. Cuando se aniquilan los defectos del anti-sitio, la estructura puede reordenarse, en esencia permitiendo que la estructura se cure a sí misma. Esta curación Sucesivamente, retarda la difusión de cationes. La difusividad catiónica aumentó a medida que el material se desordenó más por la irradiación y disminuyó a medida que el material se reordenó. Este ciclo de autocuración es diferente de las observaciones en otros óxidos complejos y modelos desordenados. Esta investigación sugiere una relación fundamentalmente diferente entre el desorden y el transporte masivo. Estos conocimientos podrían mejorar la vida útil de las cerámicas complejas utilizadas en aplicaciones que implican entornos extremos como la irradiación.
