Os cientistas descobriram um ciclo de autocura para defeitos em cerâmicas previstos por simulações avançadas de nível atômico. A irradiação cria defeitos e faz com que a estrutura atômica ordenada se torne desordenada. Simulações mostraram que a criação de uma quantidade limite de desordem fez com que os átomos deslocados se movessem mais rápido. Isso acelerou a aniquilação dos defeitos e cicatrizou a estrutura.

A forma como os átomos se movem em óxidos cerâmicos complexos está fortemente ligada à estrutura local. Danos na estrutura atômica ocorrem quando eles são expostos à irradiação ou aquecidos. Como os defeitos influenciam o movimento dos átomos ao longo do tempo é essencial para entender como as propriedades dos materiais mudam, e como "consertar" o dano. Esses fenômenos sustentam as propriedades e tempos de vida dos materiais para resistência à radiação na geração de energia e contenção de resíduos radioativos.

A difusão em óxidos cerâmicos complexos é crítica para o transporte dos átomos constituintes e a evolução da estrutura atômica devido aos danos da radiação, sinterização, e envelhecimento. Nestes materiais, os átomos individuais carregam uma carga que une as estruturas; íons carregados negativamente e positivamente são chamados de ânions e cátions, respectivamente. Em óxidos complexos que contêm mais de um tipo de cátion, como pirocloro, a migração dos íons através da estrutura atômica, ou difusão, e a condutividade é dramaticamente afetada pela desordem, ou a maneira como os cátions estão dispostos no cristal. Em particular, a difusão e a condutividade são especialmente sensíveis ao distúrbio catiônico. Interessantemente, esse distúrbio catiônico também está no cerne da capacidade do material de manter sua cristalinidade após a irradiação. É por isso que os pirocloro são considerados candidatos para encapsular o lixo nuclear. A desordem ajuda a condutividade e resistência à radiação. Contudo, pouco se sabe sobre como a desordem influencia o transporte de cátions.

Neste estudo, os cientistas investigaram a difusão de cátions mediada por defeitos no óxido de titânio pirocloro gadolínio (Gd2Ti2O7). Os defeitos eram átomos ausentes na estrutura atômica, chamados de vacâncias. Os cientistas usaram simulações de dinâmica molecular padrão e acelerada para rastrear movimentos atômicos e entender melhor a difusão. Essas simulações ocorrem em um microssegundo (um milionésimo de segundo). Em comparação, simulações atômicas típicas são executadas para estudar nanossegundos (bilionésimos de segundo) de movimentos atômicos devido aos enormes custos computacionais de execução de simulações mais longas. Mas com novas técnicas computacionais para simplificar a dinâmica dos átomos, os cientistas aceleraram os cálculos e aumentaram os tempos possíveis que podem ser investigados por essas simulações.

Eles descobriram que a difusão do cátion é lenta em níveis baixos de distúrbio. Uma vez que o nível de desordem ultrapassa um valor limite, a difusão dos cátions é mais rápida. A chave para esse resultado foram os "defeitos anti-site". Este é o lugar onde um cátion (gálio, neste caso) ocupa uma posição onde o outro cátion (titânio, neste caso) é suposto ser. Em um nível de limite crítico, os defeitos anti-site são essencialmente "tocantes" e criam o que é chamado de rede de percolação. Essa rede permite que os cátions se movam rapidamente através da rede. Quando os defeitos anti-site são aniquilados, a estrutura pode se reordenar - em essência, permitindo que a estrutura se cure. Esta cura, por sua vez, retarda a difusão do cátion. A difusividade do cátion aumentou conforme o material se tornou mais desordenado com a irradiação e diminuiu conforme o material foi reordenado. Este ciclo de autocura é diferente das observações em outros óxidos complexos e modelos desordenados. Esta pesquisa sugere uma relação fundamentalmente diferente entre desordem e transporte de massa. Esses insights podem melhorar a vida útil de cerâmicas complexas usadas em aplicações que envolvem ambientes extremos, como irradiação.