Manchas cinzentas e brancas deslizam erraticamente na tela do computador. Um microscópio imponente paira sobre uma paisagem de equipamentos eletrônicos e ópticos. Dentro do microscópio, íons acelerados de alta energia bombardeiam um floco de platina mais fino que um fio de cabelo nas costas de um mosquito. Enquanto isso, uma equipe de cientistas estuda a exibição aparentemente caótica, em busca de pistas para explicar como e por que os materiais se degradam em ambientes extremos.
Baseados em Sandia, esses cientistas acreditam que a chave para evitar falhas catastróficas em larga escala em pontes, aviões e usinas de energia é observar – muito de perto – os danos à medida que aparecem pela primeira vez nos níveis atômico e em nanoescala.

“Como humanos, vemos o espaço físico ao nosso redor e imaginamos que tudo é permanente”, disse o cientista de materiais da Sandia, Brad Boyce. "Nós vemos a mesa, a cadeira, a lâmpada, as luzes, e imaginamos que sempre estará lá, e é estável. Mas também temos essa experiência humana de que as coisas ao nosso redor podem quebrar inesperadamente. E essa é a evidência de que esses as coisas não são realmente estáveis. A realidade é que muitos dos materiais ao nosso redor são instáveis."

Mas a verdade básica sobre como a falha começa átomo por átomo é em grande parte um mistério, especialmente em ambientes complexos e extremos como o espaço, um reator de fusão ou uma usina nuclear. A resposta é obscurecida por processos complicados e interconectados que exigem uma combinação de conhecimentos especializados para serem resolvidos.

A equipe publicou recentemente na revista Science Advances resultados de pesquisas sobre os efeitos desestabilizadores da radiação. Embora as descobertas descrevam como os metais se degradam de uma perspectiva fundamental, os resultados podem ajudar os engenheiros a prever a resposta de um material a diferentes tipos de danos e melhorar a confiabilidade dos materiais em ambientes de radiação intensa.

Por exemplo, quando uma usina nuclear atinge a idade de aposentadoria, as tubulações, cabos e sistemas de contenção dentro do reator podem estar perigosamente frágeis e frágeis. Décadas de exposição ao calor, estresse, vibração e uma barragem constante de radiação quebram os materiais mais rápido do que o normal. Estruturas anteriormente fortes tornam-se não confiáveis ​​e inseguras, adequadas apenas para descontaminação e descarte.

“Se pudermos entender esses mecanismos e garantir que os materiais futuros sejam, basicamente, adaptados para minimizar esses caminhos de degradação, talvez possamos obter mais vida dos materiais em que confiamos, ou pelo menos antecipar melhor quando eles vão falhar para que possamos responder de acordo", disse Brad.

A pesquisa foi realizada, em parte, no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação de usuários do Office of Science operada para o DOE pelos laboratórios nacionais Sandia e Los Alamos.

Pesquisas em escala atômica podem proteger metais contra danos

Metais e cerâmicas são compostos de cristais microscópicos, também chamados de grãos. Quanto menores os cristais, os materiais mais fortes tendem a ser. Os cientistas já mostraram que é possível fortalecer um metal através da engenharia de cristais nanométricos incrivelmente pequenos.

"Você pode pegar o cobre puro e processá-lo para que os grãos sejam nanométricos, ele pode se tornar tão forte quanto alguns aços", disse Brad.

Mas a radiação esmaga e altera permanentemente a estrutura cristalina dos grãos, enfraquecendo os metais. Uma única partícula de radiação atinge um cristal de metal como uma bola branca quebra um conjunto de bolas de bilhar cuidadosamente organizadas, disse Rémi Dingreville, especialista em simulação e teoria de computador da equipe. A radiação pode atingir apenas um átomo de frente, mas esse átomo sai do lugar e colide com outros em um efeito dominó caótico.

Ao contrário de uma bola branca, disse Rémi, as partículas de radiação acumulam tanto calor e energia que podem momentaneamente derreter o local onde atingem, o que também enfraquece o metal. E em ambientes de forte radiação, as estruturas vivem em uma interminável chuva de granizo dessas partículas.

A equipe Sandia quer retardar – ou até mesmo parar – as mudanças em escala atômica nos metais que a radiação causa. Para fazer isso, os pesquisadores trabalham como investigadores forenses replicando cenas de crime para entender as reais. O artigo da Science Advances detalha um experimento no qual eles usaram seu microscópio eletrônico de alta potência e altamente personalizado para visualizar os danos nos grãos de metal de platina.

O membro da equipe Khalid Hattar vem modificando e atualizando este microscópio há mais de uma década, atualmente alojado no Laboratório de Feixes de Íons de Sandia. Este instrumento único pode expor materiais a todos os tipos de elementos - incluindo calor, frio criogênico, tensão mecânica e uma variedade de ambientes controlados de radiação, química e elétrica. Ele permite que os cientistas observem a degradação ocorrer microscopicamente, em tempo real. A equipe de Sandia combinou essas observações dinâmicas com microscopia de ampliação ainda maior, permitindo-lhes ver a estrutura atômica dos limites entre os grãos e determinar como a irradiação a alterou.

Mas esse trabalho forense está repleto de desafios.

"Quero dizer, esses são problemas extremamente difíceis", disse Doug Medlin, outro membro da equipe Sandia. Brad pediu a ajuda de Doug no projeto por causa de sua profunda experiência na análise de limites de grãos. Doug estuda problemas semelhantes desde a década de 1990.

"Estamos começando a partir de um espécime que talvez tenha três milímetros de diâmetro quando eles o colocam no microscópio eletrônico", disse Doug. "E então estamos diminuindo o zoom para dimensões que têm apenas alguns átomos de largura. E então, há apenas aquele aspecto prático de:como você encontra coisas antes e depois do experimento? esses arranjos atomísticos de uma forma significativa?"

Ao combinar imagens em escala atômica com vídeo em nanoescala coletados durante o experimento, a equipe descobriu que irradiar a platina faz com que os limites entre os grãos se movam.

Simulações de computador ajudam a explicar causa e efeito

Após o experimento, seu próximo desafio foi traduzir o que viram em imagens e vídeos em modelos matemáticos. Isso é difícil quando alguns átomos podem ser deslocados por causa de colisões físicas, enquanto outros podem estar se movendo por causa do aquecimento localizado. Para separar os efeitos, os experimentalistas recorrem a teóricos como Rémi.

"Simular danos de radiação em escala atômica é muito (computacionalmente) caro", disse Rémi. Because there are so many moving atoms, it takes a lot of time and processing power on high-performance computers to model the damage.

Sandia has some of the best modeling capabilities and expertise in the world, he said. Researchers commonly measure the amount of damage radiation causes to a material in units called displacements per atom, or dpa for short. Typical computer models can simulate up to around 0.5 dpa worth of damage. Sandia models can simulate up to 10 times that, around 5 dpa.

In fact, the combination of in-house expertise in atomic microscopy, the ability to reproduce extreme radiation environments and this specialized niche of computer modeling makes Sandia one of few places in the world where this research can take place, Rémi said.

But even Sandia's high-end software can only simulate a few seconds' worth of radiation damage. An even better understanding of the fundamental processes will require hardware and software that can simulate longer spans of time. Humans have been making and breaking metals for centuries, so the remaining knowledge gaps are complex, Brad said, requiring expert teams that spend years honing their skills and refining their theories. Doug said the long-term nature of the research is one thing that has attracted him to this field of work for nearly 30 years.

"I guess that's what drives me," he said. "It's this itch to figure it out, and it takes a long time to figure it out." + Explorar mais

Using electron microscopy and automatic atom-tracking to learn more about grain boundaries in metals during deformation