I fynd som kan förändra hur industrier som kärnkraft och rymd letar efter material som tål strålningsexponering, Forskare vid University of Michigan har upptäckt att metalllegeringar med tre eller flera element i lika stora koncentrationer kan vara anmärkningsvärt resistenta mot strålningsinducerad svullnad.

Det stora problemet för metaller som bombarderas med strålning vid höga temperaturer - till exempel metaller som utgör kärnbränslebeklädnad - är att de har en tendens att svälla avsevärt. De kan till och med fördubblas i storlek.

"Först, det kan störa andra delar i strukturen, men också när det sväller, materialets styrka förändras. Materialtätheten sjunker, "sa Lumin Wang, U-professor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper. "Det kan bli mjukt vid höga temperaturer eller härda vid låga temperaturer."

Detta händer eftersom när en partikel flyger in i metallen och slår ut en atom ur kristallstrukturen, den förskjutna atomen kan färdas snabbt genom metallkristallen. Under tiden, det tomma utrymmet som lämnas kvar rör sig inte särskilt snabbt. Om många atomer fördrivs från samma område, dessa tomma utrymmen kan förenas till betydande håligheter.

För att kontrollera bildandet av dessa hålrum, och medföljande svullnad, den senaste forskningen har fokuserat på att skapa mikro- och nanostrukturer inuti metallen som specialdesignade "sänkor" för att absorbera små defekter på ett sätt som bevarar materialets integritet. Men Wang och hans kollegor sparkar i det gamla skolan, tittar på legeringar som inte har avbrott i atomernas kristallstruktur.

Kollegor vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee skapade prover av en mängd nickelbaserade legeringar. Dessa utsattes sedan för strålning i en anläggning vid University of Tennessee. De mest framgångsrika legeringarna var koncentrerade fasta lösningar - kristaller gjorda av lika delar nickel, kobolt och järn; eller nickel, kobolt, järn, krom och mangan.

"Dessa material har många bra egenskaper som styrka och smidighet, och nu kan vi lägga till strålningstolerans, "sa Chenyang Lu, en postdoktor vid U-M i kärnteknik och radiologiska vetenskaper och den ledande författaren till rapporten i Naturkommunikation .

I ett experiment som Wang föreslog, UT -forskare exponerade proverna för strålar som skapade två skador, liknande det som kan ackumuleras i en reaktorkärna under flera år och över flera decennier. Dessa experiment utfördes vid en temperatur på 500 Celsius eller 932 Fahrenheit-en temperatur vid vilken nickelbaserade legeringar vanligtvis är benägna att svälla.

Dessa prover analyserades vid UM:s centrum för materialkarakterisering med ett transmissionselektronmikroskop. Teamet fann att jämfört med rent nickel, de bästa legeringarna hade mer än 100 gånger mindre strålskador.

För att förklara vad som var speciellt med dessa legeringar, laget arbetade nära med gruppen Fei Gao, en teoretiker och U-professor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper. Gaos grupp utförde datasimuleringar på nivån för enskilda atomer och visade att strålningstoleransen i denna grupp av legeringar kan hänföras till hur de förskjutna atomerna rör sig inom materialet. Förklaringen bekräftades ytterligare av en annan uppsättning experiment som gjorts av teamet vid University of Wisconsin.

"I förenklade termer, om det finns många atomer i olika storlekar, du kan betrakta dem stötar eller gropar, "Sa Wang." Så den här defekten kommer inte att gå så smidigt. Det kommer att studsa runt och sakta ner. "

Eftersom de förskjutna atomerna och hålen i kristallstrukturen stannade nära varandra, de var mycket mer benägna att hitta varandra. I själva verket, detta reparerade många av de lediga platserna i de komplicerade legeringarna innan de kunde gå ihop till större håligheter.

"Baserat på denna studie, vi förstår nu hur man utvecklar en strålningstolerant matris av en legering, "Sa Wang.

Studien, med titeln "Förbättrad strålningstolerans genom att kontrollera defektrörlighet och migrationsvägar i enkomponentslegeringar med flera komponenter, "visas i Naturkommunikation .