Os materiais expostos à radiação de nêutrons tendem a sofrer danos significativos, levando aos desafios de contenção envolvidos na imobilização de resíduos nucleares ou confinamentos de usinas nucleares. Na nanoescala, esses nêutrons incidentes colidem com os átomos de um material que, por sua vez, em seguida, colidem uns com os outros de forma semelhante ao bilhar. A rede atômica desordenada resultante e suas propriedades físicas se assemelham às vistas em alguns materiais vítreos, o que levou muitos no campo a usá-los na pesquisa nuclear.

Mas as semelhanças entre os materiais podem não ser tão úteis como se pensava anteriormente, de acordo com novos resultados relatados esta semana em The Journal of Chemical Physics .

As redes atômicas desordenadas de substâncias vítreas resultam da vitrificação, a transformação de uma substância em vidro por sua fusão e (tipicamente) o rápido resfriamento subsequente. Durante este resfriamento, ou resfriamento, átomos não têm tempo para se estabelecer de forma organizada, e, em vez disso, formam uma rede atômica desordenada. Isso levou um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA) e o Oak Ridge National Laboratory para explorar a questão:A irradiação e a vitrificação têm o mesmo impacto na estrutura atômica dos materiais?

Para encontrar uma resposta, eles exploraram o quartzo, um material simples, mas onipresente na natureza, usado para inúmeras aplicações de engenharia.

Os experimentos tradicionais não permitem que os pesquisadores "vejam" átomos diretamente, especialmente em materiais desordenados. Então, para o estudo deles, o grupo contou com simulações atomísticas usando a técnica de dinâmica molecular.

"A técnica de dinâmica molecular é baseada na resolução numérica das leis de movimento de Newton para um grupo de átomos em interação, "disse Mathieu Bauchy, professor assistente do departamento de Engenharia Civil e Ambiental da UCLA. "Todos os átomos aplicam uma força uns sobre os outros que pode ser usada para calcular a aceleração de cada átomo ao longo do tempo."

Com base nesta técnica, eles foram capazes de simular a desordem induzida por irradiação de quartzo colidindo sequencialmente os átomos da rede com nêutrons incidentes fictícios.

"Também simulamos a vitrificação do quartzo aquecendo e extinguindo rapidamente os átomos, "Bauchy disse." Finalmente, comparamos a estrutura atômica resultante desses dois materiais desordenados. "

Eles descobriram diferenças surpreendentes.

"Inesperadamente, descobrimos que o desordenamento induzido pela irradiação difere em natureza daquele induzido pela vitrificação, "Bauchy disse." Isso é bastante surpreendente porque vidros e materiais fortemente irradiados normalmente exibem a mesma densidade, de modo que os óculos são freqüentemente usados ​​como modelos para simular o efeito da exposição às radiações nos materiais. "

Em contraste, os resultados dos pesquisadores sugerem que os materiais irradiados são mais desordenados do que os vidros. "A estrutura atômica dos materiais irradiados é, na verdade, mais próxima de um líquido do que de um vidro, "Bauchy disse.

As descobertas do grupo têm implicações potencialmente sérias para a seleção de materiais para aplicações nucleares.

"Primeiro, sugerimos que os modelos atuais podem estar subestimando a extensão dos danos exibidos por materiais submetidos à irradiação, o que levanta questões de segurança óbvias, "disse N.M. Anoop Krishnan, um pesquisador de pós-doutorado também na UCLA. "Segundo, as diferentes naturezas de desordem induzida por irradiação e vitrificação sugerem que os vidros também podem ser afetados pela irradiação. "

Esta é uma descoberta significativa porque os óculos, que se acredita que "se auto-curam" sob irradiação, são comumente usados ​​para imobilizar resíduos nucleares por meio de vitrificação.

"Espera-se que essas formas de resíduos permaneçam estáveis ​​por milhões de anos, uma vez depositadas em depósitos geológicos, portanto, nossa falta de compreensão do efeito da irradiação representa uma preocupação real, "Krishnan disse.

Próximo, o grupo planeja explorar o efeito da irradiação em agregados comuns encontrados no concreto de usinas nucleares e em vidros de imobilização de resíduos nucleares. "Em última análise, nosso objetivo é desenvolver novos modelos para prever o efeito de longo prazo da irradiação na estrutura e propriedades dos materiais, "Bauchy disse.