Grå och vita fläckar skitrar oregelbundet på en datorskärm. Ett imponerande mikroskop skymtar över ett landskap av elektronisk och optisk utrustning. Inuti mikroskopet bombarderar högenergiaccelererade joner en flinga platina som är tunnare än ett hårstrå på en myggas rygg. Samtidigt studerar ett team av forskare den till synes kaotiska displayen och söker efter ledtrådar för att förklara hur och varför material försämras i extrema miljöer.

Dessa forskare, som är baserade på Sandia, tror att nyckeln till att förhindra storskaliga, katastrofala haverier i broar, flygplan och kraftverk är att titta – mycket noga – på skador som de först uppträder på atom- och nanoskalanivå.

"Som människor ser vi det fysiska utrymmet runt oss och vi föreställer oss att allt är permanent," sa Sandias materialforskare Brad Boyce. "Vi ser bordet, stolen, lampan, ljusen, och vi föreställer oss att det alltid kommer att finnas där, och det är stabilt. Men vi har också den här mänskliga upplevelsen att saker omkring oss oväntat kan gå sönder. Och det är beviset på att dessa saker är inte riktigt stabila alls. Verkligheten är att många av materialen runt omkring oss är instabila."

Men grundsanningen om hur misslyckande börjar atom för atom är till stor del ett mysterium, särskilt i komplexa, extrema miljöer som rymden, en fusionsreaktor eller ett kärnkraftverk. Svaret döljs av komplicerade, sammanlänkade processer som kräver en blandning av specialiserad expertis för att reda ut.

Teamet publicerade nyligen i tidskriften Science Advances forskningsresultat om strålningens destabiliserande effekter. Medan resultaten beskriver hur metaller bryts ned ur ett grundläggande perspektiv, kan resultaten potentiellt hjälpa ingenjörer att förutsäga ett materials svar på olika typer av skador och förbättra tillförlitligheten hos material i miljöer med intensiv strålning.

Till exempel, när ett kärnkraftverk når pensionsåldern, kan rör, kablar och inneslutningssystem inuti reaktorn vara farligt spröda och svaga. Årtionden av exponering för värme, stress, vibrationer och en konstant störtflod av strålning bryter ner material snabbare än normalt. Tidigare starka strukturer blir opålitliga och osäkra, lämpliga endast för dekontaminering och kassering.

"Om vi ​​kan förstå dessa mekanismer och se till att framtida material i grund och botten är anpassade för att minimera dessa nedbrytningsvägar, så kanske vi kan få mer liv ur de material som vi litar på, eller åtminstone bättre förutse när de kommer att misslyckas så att vi kan reagera därefter, sa Brad.

Forskningen utfördes, delvis, vid Center for Integrated Nanotechnologies, en Office of Science-användaranläggning som drivs för DOE av Sandia och Los Alamos nationella laboratorier.

Atomskalig forskning kan skydda metaller från skador

Metaller och keramik består av mikroskopiska kristaller, även kallade korn. Ju mindre kristaller, desto starkare material tenderar att vara. Forskare har redan visat att det är möjligt att stärka en metall genom att konstruera otroligt små kristaller i nanostorlek.

"Du kan ta ren koppar, och genom att bearbeta den så att kornen har nanostorlek kan den bli lika stark som vissa stål", sa Brad.

Men strålning krossar och förändrar permanent kristallstrukturen hos korn, vilket försvagar metaller. En enda strålningspartikel träffar en kristall av metall som en köboll bryter en prydligt rackad uppsättning biljardbollar, sa Rémi Dingreville, en datorsimulerings- och teoriexpert på laget. Strålning kanske bara träffar en atom rakt emot, men den atomen dyker sedan ur sin plats och kolliderar med andra i en kaotisk dominoeffekt.

Till skillnad från en köboll, sa Rémi, packar strålningspartiklar så mycket värme och energi att de tillfälligt kan smälta platsen där de träffar, vilket också försvagar metallen. Och i miljöer med stark strålning lever strukturer i en aldrig sinande hagelstorm av dessa partiklar.

Sandia-teamet vill bromsa - eller till och med stoppa - förändringarna i atomskala till metaller som strålning orsakar. För att göra det arbetar forskarna som kriminaltekniska utredare som replikerar brottsplatser för att förstå verkliga. Deras Science Advances-tidning beskriver ett experiment där de använde sitt kraftfulla, mycket anpassade elektronmikroskop för att se skadorna i platinametallkornen.

Teammedlemmen Khalid Hattar har modifierat och uppgraderat detta mikroskop i över ett decennium, som för närvarande finns i Sandias Ion Beam Laboratory. Detta unika instrument kan exponera material för alla möjliga element - inklusive värme, kryogen kyla, mekanisk påfrestning och en rad kontrollerade strålnings-, kemiska och elektriska miljöer. Det gör det möjligt för forskare att se nedbrytning ske mikroskopiskt, i realtid. Sandia-teamet kombinerade dessa dynamiska observationer med ännu högre förstoringsmikroskopi som gjorde det möjligt för dem att se atomstrukturen för gränserna mellan kornen och bestämma hur bestrålningen förändrade den.

Men sådant kriminaltekniskt arbete är fyllt med utmaningar.

"Jag menar, det här är extremt svåra problem", säger Doug Medlin, en annan medlem av Sandia-teamet. Brad bad om Dougs hjälp med projektet på grund av hans djupa expertis i att analysera korngränser. Doug har studerat liknande problem sedan 1990-talet.

"Vi utgår från ett prov som är kanske tre millimeter i diameter när de sticker in det i elektronmikroskopet," sa Doug. "Och sedan zoomar vi ner till dimensioner som bara är några atomer breda. Och så, det finns bara den där praktiska aspekten av:Hur går du och hittar saker före och efter experimentet? Och sedan, hur förstår du dessa atomistiska arrangemang på ett meningsfullt sätt?"

Genom att kombinera bilder i atomär skala med video i nanoskala som samlats in under experimentet upptäckte teamet att bestrålning av platina får gränserna mellan korn att flyttas.

Datorsimuleringar hjälper till att förklara orsak och verkan

Efter experimentet var deras nästa utmaning att översätta vad de såg i bilder och video till matematiska modeller. 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." + Utforska vidare

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