28 de septiembre de 2022
(Noticias de Nanowerk) Manchas grises y blancas se deslizan erráticamente en la pantalla de una computadora. Un microscopio imponente se cierne sobre un paisaje de equipos electrónicos y ópticos. Dentro del microscopio, iones acelerados de alta energía bombardean una escama de platino más delgada que un cabello en la espalda de un mosquito. Mientras tanto, un equipo de científicos estudia la pantalla aparentemente caótica, en busca de pistas que expliquen cómo y por qué los materiales se degradan en ambientes extremos. Con base en los Laboratorios Nacionales Sandia, estos científicos creen que la clave para prevenir fallas catastróficas a gran escala en puentes, aviones y centrales eléctricas es observar, muy de cerca, el daño tal como aparece por primera vez a niveles atómicos y de nanoescala. En esta foto de 2020, Christopher Barr, a la derecha, ex investigador postdoctoral de Sandia National Laboratories, y el profesor Shen Dillon de la Universidad de California, Irvine, operan el microscopio electrónico de transmisión de irradiación de iones in situ. Barr formó parte de un equipo de Sandia que usó el microscopio único en su tipo para estudiar los efectos de la radiación a escala atómica en el metal. (Foto de Lonnie Anderson) “Como humanos, vemos el espacio físico que nos rodea e imaginamos que todo es permanente”, dijo Brad Boyce, científico de materiales de Sandia. “Vemos la mesa, la silla, la lámpara, las luces, e imaginamos que siempre estará ahí, y es estable. Pero también tenemos esta experiencia humana de que las cosas que nos rodean pueden romperse inesperadamente. Y esa es la evidencia de que estas cosas no son del todo estables. La realidad es que muchos de los materiales que nos rodean son inestables”. Pero la verdad básica sobre cómo comienza la falla átomo por átomo es en gran medida un misterio, especialmente en entornos complejos y extremos como el espacio, un reactor de fusión o una planta de energía nuclear. La respuesta está oscurecida por procesos complicados e interconectados que requieren una combinación de experiencia especializada para resolverlos. El equipo publicó recientemente en la revista académica Science Advances (“Movimiento de las facetas del límite de grano inducido por irradiación: observaciones in situ y mecanismos a escala atómica”) resultados de investigaciones sobre los efectos desestabilizadores de las radiaciones. Si bien los hallazgos describen cómo se degradan los metales desde una perspectiva fundamental, los resultados podrían ayudar a los ingenieros a predecir la respuesta de un material a diferentes tipos de daños y mejorar la confiabilidad de los materiales en entornos de radiación intensa. Por ejemplo, cuando una planta de energía nuclear alcanza la edad de retiro, las tuberías, los cables y los sistemas de contención dentro del reactor pueden ser peligrosamente frágiles y débiles. Décadas de exposición al calor, el estrés, la vibración y un aluvión constante de radiación descomponen los materiales más rápido de lo normal. Las estructuras que antes eran sólidas se vuelven poco confiables e inseguras, aptas solo para descontaminación y eliminación. “Si podemos comprender estos mecanismos y asegurarnos de que los materiales futuros estén, básicamente, adaptados para minimizar estas vías de degradación, entonces tal vez podamos obtener más vida útil de los materiales en los que confiamos, o al menos anticiparnos mejor cuando se vayan. fallar para que podamos responder en consecuencia”, dijo Boyce. La investigación se realizó, en parte, en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias operada para el Departamento de Energía por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos. Fue financiado por el programa de Ciencias Energéticas Básicas del DOE.
La investigación a escala atómica podría proteger los metales del daño
Los metales y las cerámicas están formados por cristales microscópicos, también llamados granos. Cuanto más pequeños son los cristales, más fuertes tienden a ser los materiales. Los científicos ya han demostrado que es posible fortalecer un metal mediante la ingeniería de cristales nanométricos increíblemente pequeños.
“Puede tomar cobre puro y, al procesarlo para que los granos sean de tamaño nanométrico, puede volverse tan fuerte como algunos aceros”, dijo Boyce.
Pero la radiación aplasta y altera permanentemente la estructura cristalina de los granos, debilitando los metales. Una sola partícula de radiación golpea un cristal de metal como una bola blanca rompe un juego de bolas de billar perfectamente ordenadas, dijo Rémi Dingreville, un experto en teoría y simulación por computadora del equipo. Es posible que la radiación solo golpee a un átomo de frente, pero ese átomo se sale de su lugar y choca con otros en un caótico efecto dominó.
A diferencia de una bola blanca, dijo Dingreville, las partículas de radiación acumulan tanto calor y energía que pueden derretir momentáneamente el lugar donde golpean, lo que también debilita el metal. Y en entornos de radiación intensa, las estructuras viven en una tormenta de granizo interminable de estas partículas.
El equipo de Sandia quiere ralentizar, o incluso detener, los cambios a escala atómica en los metales que provoca la radiación. Para hacer eso, los investigadores trabajan como investigadores forenses replicando escenas del crimen para comprender las reales. Su artículo Science Advances detalla un experimento en el que utilizaron su microscopio electrónico altamente personalizado y de alta potencia para ver el daño en los granos de metal de platino.
El miembro del equipo Khalid Hattar ha estado modificando y mejorando este microscopio durante más de una década, actualmente alojado en el Laboratorio de haz de iones de Sandia. Este instrumento único en su tipo puede exponer materiales a todo tipo de elementos, incluidos calor, frío criogénico, tensión mecánica y una variedad de entornos de radiación, químicos y eléctricos controlados. Permite a los científicos observar la degradación microscópicamente, en tiempo real. El equipo de Sandia combinó estas observaciones dinámicas con microscopía de mayor aumento, lo que les permitió ver la estructura atómica de los límites entre los granos y determinar cómo la irradiación la alteró.
Pero ese trabajo forense está lleno de desafíos.
“Quiero decir, estos son problemas extremadamente difíciles”, dijo Doug Medlin, otro miembro del equipo de Sandia. Boyce solicitó la ayuda de Medlin en el proyecto debido a su profunda experiencia en el análisis de límites de grano. Medlin ha estado estudiando problemas similares desde la década de 1990.
“Estamos partiendo de un espécimen de unos tres milímetros de diámetro cuando lo introducen en el microscopio electrónico”, dijo Medlin. “Y luego nos estamos acercando a dimensiones que tienen solo unos pocos átomos de ancho. Y entonces, existe ese aspecto práctico de: ¿Cómo vas y encuentras cosas antes y después del experimento?
Las simulaciones por computadora ayudan a explicar la causa y el efecto
Después del experimento, su siguiente desafío fue traducir lo que vieron en imágenes y videos en modelos matemáticos. Esto es difícil cuando algunos átomos pueden dislocarse debido a colisiones físicas, mientras que otros pueden estar moviéndose debido al calentamiento localizado. Para separar los efectos, los experimentadores recurren a teóricos como Dingreville. “La simulación del daño por radiación a escala atómica es muy (computacionalmente) costosa”, dijo Dingreville. Debido a que hay tantos átomos en movimiento, se necesita mucho tiempo y potencia de procesamiento en computadoras de alto rendimiento para modelar el daño. Sandia tiene algunas de las mejores capacidades y experiencia de modelado del mundo, dijo. Los investigadores comúnmente miden la cantidad de daño que la radiación causa a un material en unidades llamadas desplazamientos por átomo, o dpa para abreviar. Los modelos de computadora típicos pueden simular hasta alrededor de 0.5 dpa de daño. Los modelos Sandia pueden simular hasta 10 veces eso, alrededor de 5 dpa. De hecho, la combinación de experiencia interna en microscopía atómica, la capacidad de reproducir entornos de radiación extrema y este nicho especializado de modelado por computadora hace de Sandia uno de los pocos lugares en el mundo donde se puede llevar a cabo esta investigación, dijo Dingreville. Pero incluso el software de gama alta de Sandia solo puede simular unos pocos segundos de daño por radiación. Una comprensión aún mejor de los procesos fundamentales requerirá hardware y software que puedan simular lapsos de tiempo más largos. Los humanos han estado fabricando y rompiendo metales durante siglos, por lo que las brechas de conocimiento restantes son complejas, dijo Boyce, y requieren equipos de expertos que pasen años perfeccionando sus habilidades y refinando sus teorías. Medlin dijo que la naturaleza a largo plazo de la investigación es algo que lo ha atraído a este campo de trabajo durante casi 30 años. "Supongo que eso es lo que me impulsa", dijo. “Es esta picazón por resolverlo, y lleva mucho tiempo resolverlo”.
