Por meio século, pesquisadores viram loops de átomos deslocados aparecendo dentro de aço do reator nuclear após a exposição à radiação, mas ninguém sabia como.
Agora, uma simulação feita por pesquisadores da Universidade de Michigan, A Hunan University (China) e o Rensselaer Polytechnic Institute mostraram que uma onda de choque produz essas voltas de ferro. O resultado pode ajudar os engenheiros a projetar aço melhor resistente à radiação para reatores - ou aço mais resistente em geral.
Ferro e aço, como a maioria dos metais, organizam-se em uma estrutura de cristal - um arranjo de átomos baseado em um padrão repetido. Nesse caso, é um cubo com um átomo em cada canto e um no centro. A radiação e outras tensões podem criar uma variedade de defeitos.
Em defeitos de "loop", os átomos fora do lugar formam anéis ásperos. Alguns loops podem viajar através da rede, e sua mobilidade significa que eles não atrapalham a dobra do aço. Mas o defeito em questão (conhecido como um <100> alça de deslocamento intersticial) tende a ficar parado. Colocado de forma descontrolada, esses loops estacionários causam fragilidade, mas se eles foram colocados deliberadamente, eles poderiam fortalecer o aço, melhorando sua rigidez.
"Agora que conhecemos o mecanismo, podemos reduzir os danos da radiação, limitando a energia das partículas às quais os materiais são expostos, "disse Qing Peng, um pesquisador no laboratório de Fei Gao, professor de engenharia nuclear e ciências radiológicas.
"Também podemos usá-lo para projetar o defeito dentro dos materiais. Dependendo da energia, você pode gerar diferentes tipos de deslocamentos para ajustar as propriedades do material. "
Cinco explicações anteriores estão em execução para dar conta dos misteriosos loops, mas nenhum é particularmente satisfatório porque todos eles requerem condições especiais e tempos relativamente longos para criar os loops.
Uma vez que os defeitos aparecem muito rapidamente para medir, os pesquisadores esperavam poder simular o mecanismo em um computador. Mas isso também não aconteceu. Eles supuseram que demorava muito para mapear suas trajetórias em tempo real - simplesmente não havia energia suficiente para simular todos aqueles átomos em um tempo razoável.
Essa última observação revelou-se parcialmente verdadeira:havia muitos átomos para modelar. Mas o processo em si foi curto; o problema era tornar o volume de ferro grande o suficiente para obter a reação.
"Se a simulação for muito pequena, uma partícula de alta energia simplesmente passa. Sem reação, "Peng disse.
A equipe de Gao criou um modelo de computador de uma caixa de 200 milhões de átomos de ferro, arranjado na estrutura típica, e bateu uma partícula de alta energia nele. O que eles viram foi uma poderosa onda de choque rasgando a estrutura, ramificando-se em diferentes direções.
Milhões de átomos de ferro foram deslocados de seus pontos, e milhões deles voltaram para a rede conforme a onda se dissipou. Deixados para trás foram centenas de defeitos "pontuais" nos quais átomos individuais estavam fora do lugar - e um punhado de loops. Muitos desses eram loops que podem viajar, que não são uma das principais causas de fragilidade, mas freqüentemente um ou dois eram do tipo estacionário.
Descobriu-se que os loops foram criados na onda de choque inicial, um processo que leva apenas 13 trilionésimos de segundo ou algo assim. Esta explicação foi lançada já há 40 anos, mas era usado para explicar defeitos que apareciam em linhas ao invés de loops fechados.
Agora que o mecanismo é conhecido, modelagem de computador semelhante pode ser usada para recomendar condições operacionais para ligas de aço em ambientes com radiação. Partículas menos energéticas não criarão ondas de choque fortes o suficiente para produzir esse defeito.
Ou, defeitos como esse podem ser deliberadamente colocados no aço para aumentar sua rigidez. Esses loops estacionários de átomos, preso entre outros átomos no cristal, torna mais difícil para o aço dobrar.