(Phys.org) —För att bygga nästa generation kärnreaktorer, materialforskare försöker låsa upp hemligheterna hos vissa material som är strålningsskadetoleranta. Nu har forskare vid California Institute of Technology (Caltech) gett ny förståelse för en av dessa hemligheter – hur gränssnitten mellan två noggrant utvalda metaller kan absorbera, eller läka, strålskador.

"När det gäller att välja lämpliga strukturella material för avancerade kärnreaktorer, det är avgörande att vi förstår strålskador och dess effekter på materialegenskaper. Och vi måste studera dessa effekter på isolerade småskaliga funktioner, " säger Julia R. Greer, en biträdande professor i materialvetenskap och mekanik vid Caltech. Med det i åtanke, Greer och kollegor från Caltech, Sandia National Laboratories, UC Berkeley, och Los Alamos National Laboratory har tittat närmare på strålningsinducerade skador, zooma in hela vägen till nanoskalan – där längder mäts i miljarddelar av meter. Deras resultat visas online i tidskrifterna Avancerade funktionella material och Små .

Under kärnvapenbestrålning, energiska partiklar som neutroner och joner förskjuter atomer från sina vanliga gitterplatser inom de metaller som utgör en reaktor, utlösa kaskader av kollisioner som i slutändan skadar material som stål. En av biprodukterna av denna process är bildandet av heliumbubblor. Eftersom helium inte löses i fasta material, det bildar gasbubblor under tryck som kan förenas, gör materialet poröst, spröd, och därför känslig för brott.

Vissa nanotillverkade material kan motstå sådana skador och kan till exempel, förhindra heliumbubblor från att smälta samman till större tomrum. Till exempel, vissa metalliska nanolaminat - material som består av extremt tunna alternerande lager av olika metaller - kan absorbera olika typer av strålningsinducerade defekter vid gränssnitten mellan lagren på grund av den oöverensstämmelse som finns mellan deras kristallstrukturer.

"Folk har en idé, från beräkningar, vad gränssnitten som helhet kan göra, och de vet från experiment vad deras kombinerade globala effekt är. Vad de inte vet är exakt vad ett enskilt gränssnitt gör och vilken specifik roll nanoskaladimensionerna spelar, " säger Greer. "Och det var vad vi kunde undersöka."

Peri Landau och Guo Qiang, båda postdoktorerna i Greers labb vid tiden för denna studie, använde en kemisk procedur som kallas galvanisering för att antingen odla miniatyrpelare av ren koppar eller pelare som innehåller exakt ett gränssnitt - där en järnkristall sitter ovanpå en kopparkristall. Sedan, samarbetar med partners på Sandia och Los Alamos, för att replikera effekten av heliumbestrålning, de implanterade dessa nanopelare med heliumjoner, både direkt vid gränssnittet och, i separata experiment, genom hela pelaren.

Forskarna använde sedan ett unikt nanomekaniskt testinstrument, kallas SEMentor, som ligger i källaren till W. M. Keck Engineering Laboratories byggnad på Caltech, att både komprimera de små pelarna och dra på dem som ett sätt att lära sig om pelarnas mekaniska egenskaper - hur deras längd förändrades när en viss spänning applicerades, och där de gick sönder, till exempel.

"Dessa experiment är mycket, mycket känslig, " säger Landau. "Om du tänker efter, var och en av pelarna – som bara är 100 nanometer breda och cirka 700 nanometer långa – är tusen gånger tunnare än ett enda hårstrå. Vi kan bara se dem med högupplösta mikroskop. "

Teamet fann att när de förde in en liten mängd helium i en pelare vid gränsytan mellan järn- och kopparkristallerna, pelarens styrka ökade med mer än 60 procent jämfört med en pelare utan helium. Så mycket var väntat, Landau förklarar, eftersom "strålningshärdning är ett välkänt fenomen i bulkmaterial." Dock, hon noterar, sådan härdning är vanligtvis kopplad till sprödhet, "och vi vill inte att material ska vara spröda."

Förvånande, forskarna fann att i sina nanopillrar, ökningen i styrka kom inte med försprödhet, antingen när heliumet implanterades vid gränssnittet, eller när det distribuerades bredare. Verkligen, Greer och hennes team hittade, materialet kunde bibehålla sin duktilitet eftersom själva gränssnittet kunde deformeras gradvis under stress.

Detta innebär att i ett metalliskt nanolaminatmaterial, små heliumbubblor kan migrera till ett gränssnitt, som aldrig är mer än några tiotals nanometer bort, huvudsakligen läka materialet. "Vad vi visar är att det inte spelar någon roll om bubblan är inom gränssnittet eller jämnt fördelad - pelarna misslyckas aldrig i en katastrof, abrupt mode, "Säger Greer. Hon noterar att de implanterade heliumbubblorna - som beskrivs i Advanced Functional Materials -papper - var en till två nanometer i diameter; i framtida studier, gruppen kommer att upprepa experimentet med större bubblor vid högre temperaturer för att representera ytterligare förhållanden relaterade till strålskador.

I den lilla tidningen, forskarna visade att även nanopillarer helt och hållet är gjorda av koppar, utan skiktning av metaller, uppvisade bestrålningsinducerad härdning. Det står i skarp kontrast till resultaten från tidigare arbete av andra forskare om protonbestrålade koppar-nanopillarer, som uppvisade samma styrkor som de som inte hade bestrålats. Greer säger att detta pekar på behovet av att utvärdera olika typer av strålningsinducerade defekter på nanoskala, eftersom de kanske inte alla har samma effekter på material.

Även om ingen sannolikt kommer att bygga kärnreaktorer av nanopelare när som helst snart, Greer menar att det är viktigt att förstå hur individuella gränssnitt och nanostrukturer beter sig. "Detta arbete lär oss i grunden vad som ger material förmågan att läka strålskador - vilka toleranser de har och hur man utformar dem, " säger hon. Den informationen kan införlivas i framtida modeller för materialbeteende som kan hjälpa till med design av nya material.