Forskare upptäckte en självläkande cykel för defekter i keramik som förutses av avancerade simuleringar på atomnivå. Bestrålning skapar defekter och gör att den ordnade atomstrukturen blir störd. Simuleringar visade att skapandet av en tröskel mängd oordning orsakade att de förskjutna atomerna rörde sig snabbare. Detta påskyndade utplånandet av defekterna och läkte strukturen.

Hur atomer rör sig i komplexa keramikoxider är starkt kopplat till den lokala strukturen. Skador på atomstrukturen uppstår när de utsätts för bestrålning eller värms upp. Hur defekter påverkar atomernas rörelse över tid är avgörande för att förstå hur materialets egenskaper förändras, och hur man "fixar" skadan. Dessa fenomen ligger till grund för materialets egenskaper och livstid för strålningsmotstånd vid energiproduktion och inneslutning av radioaktivt avfall.

Diffusion i komplexa keramiska oxider är avgörande för transporten av de ingående atomerna och utvecklingen av atomstrukturen på grund av strålskador, sintring, och åldrande. I dessa material, de enskilda atomerna bär en laddning som binder samman strukturerna; negativt och positivt laddade joner kallas anjoner och katjoner, respektive. I komplexa oxider som innehåller mer än en typ av katjon, såsom pyroklorer, jonernas migration genom atomstrukturen, eller diffusion, och konduktiviteten påverkas dramatiskt av störningar, eller hur katjonerna är arrangerade i kristallen. Särskilt, diffusion och konduktivitet är särskilt känsliga för katjonstörning. Intressant, denna katjonstörning är också kärnan i materialets förmåga att bibehålla sin kristallinitet vid bestrålning. Detta är anledningen till att pyroklorer anses vara kandidater för att inkapsla kärnavfall. Disorder hjälper både konduktivitet och strålningsmotstånd. Dock, lite är känt om hur störning påverkar katjontransport.

I den här studien, forskare undersökte katjondiffusion förmedlad av defekter i pyrochlore gadolinium titanoxid (Gd2Ti2O7). Defekterna saknade atomer i atomstrukturen som kallas vakanser. Forskare använde standardiserade och accelererade molekylära dynamiksimuleringar för att spåra atomrörelser och bättre förstå diffusion. Dessa simuleringar sker över en mikrosekund (en miljonedel av en sekund). I jämförelse, typiska atomsimuleringar körs för att studera nanosekunder (miljarddels sekund) av atomrörelser på grund av de enorma beräkningskostnaderna för att köra längre simuleringar. Men med nya beräkningstekniker för att förenkla atomenas dynamik, forskare har påskyndat beräkningarna och förlängt möjliga tider som kan undersökas med dessa simuleringar.

De fann att katjondiffusionen är långsam vid låga störningar. När graden av störning överstiger ett tröskelvärde, spridningen av katjoner är snabbare. Nyckeln till detta resultat var "anti-site defekter". Det är här en katjon (gallium, i detta fall) intar en position där den andra katjonen (titan, i detta fall) är tänkt att vara. På en kritisk tröskelnivå, anti-site defekterna är i huvudsak "rörande" och skapar det som kallas ett perkolationsnätverk. Detta nätverk gör att katjonerna snabbt kan röra sig genom gallret. När defekterna mot platsen utrotas, strukturen kan ordna om - i huvudsak tillåta strukturen att läka sig själv. Denna helande, i tur och ordning, saktar katjondiffusionen. Katjondiffusivitet ökade i takt med att materialet blev mer störande från bestrålning och minskade när materialet beställde om. Denna cykel av självläkning skiljer sig från observationer i andra komplexa oxider och störda modeller. Denna forskning tyder på ett fundamentalt annorlunda samband mellan störning och masstransport. Dessa insikter kan förbättra livslängden för komplex keramik som används i applikationer som involverar extrema miljöer som bestrålning.