Nanokompositoxidkeramik har potentiella användningsområden som ferroelektrik, snabba jonledare, och kärnbränslen och för lagring av kärnavfall, genererar ett stort vetenskapligt intresse för strukturen, egenskaper, och tillämpningar av dessa blandade material.

"Gränssnitten som separerar de olika kristallina regionerna bestämmer transporten, elektrisk, och strålningsegenskaper hos materialet som helhet, " sa Pratik Dholabhai, huvudforskare Los Alamos National Laboratory på projektet. "Det är i den kemiska sammansättningen av dessa gränssnitt där vi kan förbättra funktioner som tolerans mot strålningsskador och snabb jonledning."

En komposit är ett material som innehåller korn, eller bitar, av flera olika material. I en nanokomposit, storleken på vart och ett av dessa korn är i storleksordningen nanometer, ungefär 1000 gånger mindre än bredden på ett människohår. I samband med kärnenergi, kompositer har föreslagits för själva bränslet, som ett sätt t.ex. att förbättra materialets grundläggande egenskaper, såsom värmeledningsförmågan. Det är värmeledningsförmågan som bestämmer hur effektivt energi kan utvinnas ur bränslet. Kompositer har också skapats för att lagra biprodukter från kärnenergicykeln, kärnavfall, där de olika komponenterna i kompositen kan lagra var sin del av avfallet.

Dock, kompositer har mycket bredare tillämpningar. Gränssnitten tillhandahåller regioner med unika elektroniska och joniska egenskaper och har studerats för att förbättra konduktiviteten för applikationer relaterade till batterier och bränsleceller.

Mysteries of Misfit Dislocations

Genom att använda simuleringar som explicit redogör för varje atoms position i materialet, Los Alamos forskargrupp undersökte gränssnittet mellan SrTiO3 och MgO, demonstrerar, för första gången, ett starkt beroende av dislokationsstrukturen vid oxidheterogränssnitt på termineringskemin. SrTiO3 kan ses som en lagerkaka, med alternerande plan av SrO och TiO2. Således, i princip, när SrTiO3 matchas med ett annat material, det finns ett val om vilket lager som är i kontakt med det andra materialet. Simuleringarna visar att SrO- och TiO2-terminerade gränssnitt uppvisar anmärkningsvärt olika atomstrukturer. Dessa strukturer, kännetecknas av så kallade misspassade dislokationer som bildas när de två materialen inte exakt matchar storleken, diktera gränssnittets funktionella egenskaper, såsom konduktiviteten.

Det observerade förhållandet mellan termineringskemin och dislokationsstrukturen i gränssnittet erbjuder potentiella vägar för att skräddarsy transportegenskaper och strålningsskadabeständighet hos oxidnanokompositer genom att kontrollera termineringskemin vid gränssnittet. Detta kan leda till nya funktionella material inom en rad tekniska områden. "Vi tror att denna upptäckt, att gränssnittsstrukturen är känslig för gränssnittets kemi, kommer att öppna dörren för nya forskningsriktningar inom oxidnanokompositer, " sa Blas Uberuaga, ledande forskare om insatsen.