I ett halvt sekel, forskare har sett slingor av förskjutna atomer som dyker upp i kärnreaktorstål efter exponering för strålning, men ingen kunde räkna ut hur.

Nu, en simulering gjord av forskare vid University of Michigan, Hunan University (Kina) och Rensselaer Polytechnic Institute har visat att en chockvåg producerar dessa slingor i järn. Resultatet kan hjälpa ingenjörer att designa bättre strålningsbeständigt stål för reaktorer-eller starkare stål i allmänhet.

Järn och stål, som de flesta metaller, organisera sig i ett kristallgitter - ett arrangemang av atomer baserat på ett upprepat mönster. I detta fall, det är en kub med en atom i varje hörn och en i mitten. Strålning och andra påfrestningar kan skapa en mängd olika defekter.

I "loop" -fel, de out-of-place atomer bildar grova ringar. Vissa öglor kan färdas genom gallret, och deras rörlighet gör att de inte kommer i vägen för stålböjningen. Men defekten i fråga (känd som a <100> interstitiell dislokationsslinga) tenderar att stanna kvar. Placerad på ett okontrollerat sätt, dessa stationära öglor orsakar sprödhet, men om de placerades avsiktligt, de kan förstärka stål genom att förbättra dess styvhet.

"Nu när vi känner till mekanismen, vi kan minska strålskador genom att begränsa energin i partiklarna som material utsätts för, "sa Qing Peng, en forskare i laboratoriet av Fei Gao, professor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper.

"Vi kan också använda den för att konstruera defekten inuti material. Beroende på energin, du kan generera olika typer av dislokationer för att justera materialets egenskaper. "

Fem tidigare förklaringar pågår för att redogöra för de mystiska slingorna, men ingen är särskilt tillfredsställande eftersom de alla kräver speciella förhållanden och relativt långa tider för att skapa slingorna.

Eftersom defekterna visas för snabbt för att mäta, forskare förväntade sig att de skulle kunna simulera mekanismen på en dator. Men det hände inte heller. De antog att det tog för lång tid att kartlägga deras realtidsbanor - det fanns bara inte tillräckligt med kraft för att simulera alla dessa atomer på en rimlig tid.

Den sista observationen visade sig vara delvis sann:det fanns för många atomer att modellera. Men själva processen var kort; besväret var att göra järnvolymen tillräckligt stor för att få reaktionen.

"Om simuleringen är för liten, en partikel med hög energi passerar bara igenom. Ingen reaktion, "Sa Peng.

Gaos team skapade en datormodell av en låda med 200 miljoner järnatomer, arrangerad i det typiska gallret, och smällde in en högenergipartikel i den. Det de såg var en kraftfull chockvåg som slet igenom gallret, förgrenar sig i olika riktningar.

Miljoner järnatomer förflyttades från sina fläckar, och miljontals av dem föll tillbaka i gallret när vågen försvann. Kvar efter fanns hundratals "punkt" -defekter där enstaka atomer var på sin plats - och en handfull slingor. Många av dessa var loopar som kan resa, som inte är en viktig orsak till sprödhet, men ofta var en eller två den stationära typen.

Det visade sig att slingorna skapades i den första chockvågen, en process som bara tar 13 biljoner sekunder av en sekund eller så. Denna förklaring publicerades redan för 40 år sedan, men det användes för att förklara defekter som uppträdde i linjer snarare än slutna öglor.

Nu när mekanismen är känd, liknande datormodellering kan användas för att rekommendera driftsförhållanden för stållegeringar i miljöer med strålning. Mindre energiska partiklar skapar inte chockvågor som är tillräckligt starka för att producera denna defekt.

Eller, sådana defekter kan avsiktligt placeras i stål för att öka dess styvhet. Dessa stationära öglor av atomer, fastnat mellan andra atomer i kristallen, gör det svårare för stål att böja sig.