(Phys.org) - A fim de construir a próxima geração de reatores nucleares, os cientistas de materiais estão tentando desvendar os segredos de certos materiais que são tolerantes aos danos da radiação. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) trouxeram uma nova compreensão para um desses segredos - como as interfaces entre dois metais cuidadosamente selecionados podem absorver, ou curar, danos por radiação.

"Quando se trata de selecionar materiais estruturais adequados para reatores nucleares avançados, é crucial que entendamos os danos da radiação e seus efeitos nas propriedades dos materiais. E precisamos estudar esses efeitos em recursos isolados de pequena escala, "diz Julia R. Greer, professor assistente de ciência dos materiais e mecânica na Caltech. Com aquilo em mente, Greer e colegas da Caltech, Sandia National Laboratories, UC Berkeley, e o Laboratório Nacional de Los Alamos examinaram mais de perto os danos induzidos pela radiação, ampliando todo o caminho para a nanoescala - onde os comprimentos são medidos em bilionésimos de metros. Seus resultados aparecem online nas revistas Materiais Funcionais Avançados e Pequena .

Durante a irradiação nuclear, partículas energéticas como nêutrons e íons deslocam átomos de seus locais regulares de rede dentro dos metais que compõem um reator, desencadeando cascatas de colisões que acabam por danificar materiais como o aço. Um dos subprodutos desse processo é a formação de bolhas de hélio. Uma vez que o hélio não se dissolve em materiais sólidos, forma bolhas de gás pressurizadas que podem se aglutinar, tornando o material poroso, frágil, e, portanto, suscetível a quebra.

Alguns materiais nano-projetados são capazes de resistir a tais danos e podem, por exemplo, evitar que bolhas de hélio se aglutinem em vazios maiores. Por exemplo, alguns nanolaminatos metálicos - materiais feitos de camadas alternadas extremamente finas de diferentes metais - são capazes de absorver vários tipos de defeitos induzidos por radiação nas interfaces entre as camadas por causa da incompatibilidade que existe entre suas estruturas cristalinas.

"As pessoas têm uma ideia, de cálculos, do que as interfaces como um todo podem estar fazendo, e eles sabem, por meio de experimentos, qual é seu efeito global combinado. O que eles não sabem é o que exatamente uma interface individual está fazendo e que papel específico desempenham as dimensões em nanoescala, "diz Greer." E é isso que fomos capazes de investigar. "

Peri Landau e Guo Qiang, ambos estudiosos de pós-doutorado no laboratório de Greer no momento deste estudo, usou um procedimento químico chamado galvanoplastia para fazer crescer pilares em miniatura de cobre puro ou pilares contendo exatamente uma interface - na qual um cristal de ferro fica sobre um cristal de cobre. Então, trabalhando com parceiros em Sandia e Los Alamos, a fim de replicar o efeito da irradiação de hélio, eles implantaram esses nanopilares com íons de hélio, diretamente na interface e, em experimentos separados, em todo o pilar.

Os pesquisadores então usaram um instrumento de teste nanomecânico único, chamado SEMentor, que está localizado no subsolo do edifício W. M. Keck Engineering Laboratories em Caltech, para comprimir os minúsculos pilares e puxá-los como uma forma de aprender sobre as propriedades mecânicas dos pilares - como seu comprimento mudou quando uma certa tensão foi aplicada, e onde eles quebraram, por exemplo.

"Esses experimentos são muito, muito delicado, "Landau diz." Se você pensar sobre isso, cada um dos pilares - que têm apenas 100 nanômetros de largura e cerca de 700 nanômetros de comprimento - é mil vezes mais fino do que um único fio de cabelo. Só podemos vê-los com microscópios de alta resolução. "

A equipe descobriu que, depois de inserir uma pequena quantidade de hélio em um pilar na interface entre os cristais de ferro e cobre, a resistência do pilar aumentou em mais de 60 por cento em comparação com um pilar sem hélio. Isso era esperado, Landau explica, porque "o endurecimento por irradiação é um fenômeno bem conhecido em materiais a granel". Contudo, ela observa, esse endurecimento está normalmente associado à fragilização, "e não queremos que os materiais sejam quebradiços."

Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que em seus nanopilares, o aumento da força não veio junto com a fragilização, seja quando o hélio foi implantado na interface, ou quando foi distribuído de forma mais ampla. De fato, Greer e sua equipe descobriram, o material foi capaz de manter sua ductilidade porque a própria interface foi capaz de se deformar gradualmente sob tensão.

Isso significa que em um material nanolaminado metálico, pequenas bolhas de hélio são capazes de migrar para uma interface, que nunca está a mais do que algumas dezenas de nanômetros de distância, essencialmente curando o material. "O que estamos mostrando é que não importa se a bolha está dentro da interface ou uniformemente distribuída - os pilares nunca falham de forma catastrófica, moda abrupta, "Greer diz. Ela observa que as bolhas de hélio implantadas - que são descritas no artigo Advanced Functional Materials - tinham um a dois nanômetros de diâmetro; em estudos futuros, o grupo repetirá o experimento com bolhas maiores em temperaturas mais altas para representar condições adicionais relacionadas aos danos da radiação.

No pequeno jornal, os pesquisadores mostraram que mesmo nanopilares feitos inteiramente de cobre, sem camadas de metais, exibiu endurecimento induzido por irradiação. Isso contrasta fortemente com os resultados de trabalhos anteriores de outros pesquisadores em nanopilares de cobre irradiados com prótons, que exibiram as mesmas forças que aqueles que não foram irradiados. Greer diz que isso aponta para a necessidade de avaliar diferentes tipos de defeitos induzidos por irradiação em nanoescala, porque nem todos podem ter os mesmos efeitos nos materiais.

Embora seja provável que ninguém construa reatores nucleares a partir de nanopilares tão cedo, Greer argumenta que é importante entender como as interfaces individuais e as nanoestruturas se comportam. "Este trabalho está basicamente nos ensinando o que dá aos materiais a capacidade de curar os danos da radiação - quais tolerâncias eles têm e como projetá-los, ", diz ela. Essas informações podem ser incorporadas em futuros modelos de comportamento de materiais que podem ajudar no design de novos materiais.