(Phys.org) —Para construir la próxima generación de reactores nucleares, Los científicos de materiales están tratando de descubrir los secretos de ciertos materiales que son tolerantes al daño por radiación. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han aportado una nueva comprensión de uno de esos secretos:cómo pueden absorber las interfaces entre dos metales cuidadosamente seleccionados, o curar, daño por radiación.

"Cuando se trata de seleccionar materiales estructurales adecuados para reactores nucleares avanzados, Es fundamental que comprendamos el daño por radiación y sus efectos sobre las propiedades de los materiales. Y necesitamos estudiar estos efectos en características aisladas a pequeña escala, "dice Julia R. Greer, profesor asistente de ciencia de materiales y mecánica en Caltech. Con eso en mente, Greer y colegas de Caltech, Laboratorios Nacionales Sandia, UC Berkeley, y el Laboratorio Nacional de Los Alamos han examinado más de cerca el daño inducido por la radiación, acercándose hasta la nanoescala, donde las longitudes se miden en mil millonésimas de metros. Sus resultados aparecen en línea en las revistas Materiales funcionales avanzados y Pequeña .

Durante la irradiación nuclear, Las partículas energéticas como los neutrones y los iones desplazan a los átomos de sus sitios reticulares regulares dentro de los metales que forman un reactor. desencadenando cascadas de colisiones que finalmente dañan materiales como el acero. Uno de los subproductos de este proceso es la formación de burbujas de helio. Dado que el helio no se disuelve en materiales sólidos, forma burbujas de gas presurizado que pueden fusionarse, haciendo que el material sea poroso, frágil, y por tanto susceptible de rotura.

Algunos materiales de nano-ingeniería son capaces de resistir tal daño y pueden, por ejemplo, evitar que las burbujas de helio se fusionen en huecos más grandes. Por ejemplo, Algunos nanolaminados metálicos —materiales compuestos por capas alternas extremadamente delgadas de diferentes metales— pueden absorber varios tipos de defectos inducidos por radiación en las interfaces entre las capas debido al desajuste que existe entre sus estructuras cristalinas.

"La gente tiene una idea, a partir de cálculos, de lo que pueden estar haciendo las interfaces en su conjunto, y saben por experimentos cuál es su efecto global combinado. Lo que no saben es qué está haciendo exactamente una interfaz individual y qué papel específico juegan las dimensiones a nanoescala, "dice Greer." Y eso es lo que pudimos investigar ".

Peri Landau y Guo Qiang, ambos académicos postdoctorales en el laboratorio de Greer en el momento de este estudio, usó un procedimiento químico llamado galvanoplastia para hacer crecer pilares en miniatura de cobre puro o pilares que contienen exactamente una interfaz, en la que un cristal de hierro se asienta sobre un cristal de cobre. Luego, trabajando con socios en Sandia y Los Alamos, para replicar el efecto de la irradiación con helio, implantaron esos nanopilares con iones de helio, tanto directamente en la interfaz como, en experimentos separados, en todo el pilar.

Luego, los investigadores utilizaron un instrumento de prueba nanomecánico único en su tipo, llamado el SEMentor, que se encuentra en el subsótano del edificio W. M. Keck Engineering Laboratories en Caltech, para comprimir los pilares pequeños y tirar de ellos como una forma de aprender sobre las propiedades mecánicas de los pilares:cómo cambiaba su longitud cuando se aplicaba una cierta tensión, y donde se rompieron, por ejemplo.

"Estos experimentos son muy, muy delicado, "Landau dice." Si lo piensas, cada uno de los pilares, que tiene solo 100 nanómetros de ancho y unos 700 nanómetros de largo, es mil veces más delgado que una sola hebra de cabello. Solo podemos verlos con microscopios de alta resolución ".

El equipo descubrió que una vez que insertaron una pequeña cantidad de helio en un pilar en la interfaz entre los cristales de hierro y cobre, la fuerza del pilar aumentó en más del 60 por ciento en comparación con un pilar sin helio. Tanto se esperaba, Landau explica, porque "el endurecimiento por irradiación es un fenómeno bien conocido en materiales a granel". Sin embargo, ella nota, tal endurecimiento está típicamente relacionado con la fragilización, "y no queremos que los materiales sean frágiles".

Asombrosamente, los investigadores encontraron que en sus nanopilares, el aumento de la fuerza no vino junto con la fragilidad, ya sea cuando el helio se implantó en la interfaz, o cuando se distribuyó de manera más amplia. En efecto, Greer y su equipo encontraron, el material pudo mantener su ductilidad porque la propia interfaz pudo deformarse gradualmente bajo tensión.

Esto significa que en un material nanolaminado metálico, pequeñas burbujas de helio pueden migrar a una interfaz, que nunca está a más de unas pocas decenas de nanómetros de distancia, esencialmente curando el material. "Lo que estamos mostrando es que no importa si la burbuja está dentro de la interfaz o si está distribuida uniformemente, los pilares nunca fallan en una situación catastrófica, moda abrupta, "Dice Greer. Ella señala que las burbujas de helio implantadas, que se describen en el documento de Materiales funcionales avanzados, tenían de uno a dos nanómetros de diámetro; en estudios futuros, el grupo repetirá el experimento con burbujas más grandes a temperaturas más altas para representar condiciones adicionales relacionadas con el daño por radiación.

En el papel pequeño los investigadores demostraron que incluso los nanopilares hechos completamente de cobre, sin capas de metales, exhibió endurecimiento inducido por irradiación. Eso contrasta radicalmente con los resultados de trabajos anteriores de otros investigadores sobre nanopilares de cobre irradiados con protones. que exhibieron las mismas fuerzas que los que no habían sido irradiados. Greer dice que esto apunta a la necesidad de evaluar diferentes tipos de defectos inducidos por la irradiación a nanoescala, porque es posible que no todos tengan los mismos efectos en los materiales.

Si bien es probable que nadie construya reactores nucleares con nanopilares en el corto plazo, Greer sostiene que es importante comprender cómo se comportan las interfaces y nanoestructuras individuales. "Este trabajo básicamente nos está enseñando qué le da a los materiales la capacidad de curar el daño por radiación:qué tolerancias tienen y cómo diseñarlas, "Ella dice. Esa información se puede incorporar en futuros modelos de comportamiento de materiales que pueden ayudar con el diseño de nuevos materiales.