Des taches grises et blanches défilent de manière erratique sur un écran d'ordinateur. Un microscope imposant surplombe un paysage d'équipements électroniques et optiques. À l'intérieur du microscope, des ions accélérés à haute énergie bombardent un flocon de platine plus fin qu'un cheveu sur le dos d'un moustique. Pendant ce temps, une équipe de scientifiques étudie l'affichage apparemment chaotique, à la recherche d'indices pour expliquer comment et pourquoi les matériaux se dégradent dans des environnements extrêmes.

Basés à Sandia, ces scientifiques pensent que la clé pour prévenir les défaillances catastrophiques à grande échelle dans les ponts, les avions et les centrales électriques est d'examiner de très près les dommages tels qu'ils apparaissent pour la première fois aux niveaux atomique et nanométrique.

"En tant qu'êtres humains, nous voyons l'espace physique qui nous entoure et nous imaginons que tout est permanent", a déclaré le scientifique des matériaux de Sandia, Brad Boyce. "Nous voyons la table, la chaise, la lampe, les lumières, et nous imaginons qu'elles seront toujours là, et c'est stable. Mais nous avons aussi cette expérience humaine que les choses autour de nous peuvent se briser de manière inattendue. Et c'est la preuve que ces les choses ne sont pas vraiment stables du tout. La réalité est que beaucoup de matériaux qui nous entourent sont instables."

Mais la vérité fondamentale sur la façon dont l'échec commence atome par atome est en grande partie un mystère, en particulier dans des environnements complexes et extrêmes comme l'espace, un réacteur à fusion ou une centrale nucléaire. La réponse est masquée par des processus complexes et interconnectés qui nécessitent un mélange d'expertise spécialisée pour être triés.

L'équipe a récemment publié dans la revue Science Advances résultats de recherche sur les effets déstabilisants des radiations. Bien que les résultats décrivent comment les métaux se dégradent d'un point de vue fondamental, les résultats pourraient potentiellement aider les ingénieurs à prédire la réponse d'un matériau à différents types de dommages et à améliorer la fiabilité des matériaux dans des environnements de rayonnement intense.

Par exemple, au moment où une centrale nucléaire atteint l'âge de la retraite, les tuyaux, les câbles et les systèmes de confinement à l'intérieur du réacteur peuvent être dangereusement fragiles et faibles. Des décennies d'exposition à la chaleur, au stress, aux vibrations et à un barrage constant de radiations décomposent les matériaux plus rapidement que la normale. Les structures autrefois solides deviennent peu fiables et dangereuses, et ne conviennent qu'à la décontamination et à l'élimination.

"Si nous pouvons comprendre ces mécanismes et nous assurer que les futurs matériaux sont, fondamentalement, adaptés pour minimiser ces voies de dégradation, alors peut-être pourrons-nous donner plus de vie aux matériaux sur lesquels nous comptons, ou du moins mieux anticiper leur évolution. échouer afin que nous puissions réagir en conséquence », a déclaré Brad.

La recherche a été effectuée, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation utilisateur du Bureau des sciences exploitée pour le DOE par les laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos.

La recherche à l'échelle atomique pourrait protéger les métaux contre les dommages

Les métaux et les céramiques sont constitués de cristaux microscopiques, également appelés grains. Plus les cristaux sont petits, plus les matériaux sont résistants. Les scientifiques ont déjà montré qu'il est possible de renforcer un métal en concevant des cristaux incroyablement petits et nanométriques.

"Vous pouvez prendre du cuivre pur, et en le transformant de manière à ce que les grains soient nanométriques, il peut devenir aussi résistant que certains aciers", a déclaré Brad.

Mais les radiations brisent et altèrent de façon permanente la structure cristalline des grains, affaiblissant les métaux. Une seule particule de rayonnement frappe un cristal de métal comme une bille blanche brise un ensemble de boules de billard soigneusement rangées, a déclaré Rémi Dingreville, un expert en simulation informatique et en théorie de l'équipe. Le rayonnement peut ne frapper qu'un seul atome de front, mais cet atome sort alors de sa place et entre en collision avec d'autres dans un effet domino chaotique.

Contrairement à une bille blanche, a déclaré Rémi, les particules de rayonnement emmagasinent tellement de chaleur et d'énergie qu'elles peuvent momentanément faire fondre l'endroit où elles frappent, ce qui affaiblit également le métal. Et dans les environnements à fort rayonnement, les structures vivent dans une tempête de grêle sans fin de ces particules.

L'équipe de Sandia veut ralentir, voire arrêter, les changements à l'échelle atomique des métaux provoqués par les radiations. Pour ce faire, les chercheurs travaillent comme des enquêteurs médico-légaux reproduisant des scènes de crime pour en comprendre de vraies. Leur article Science Advances détaille une expérience dans laquelle ils ont utilisé leur microscope électronique hautement puissant et hautement personnalisé pour voir les dommages dans les grains de platine.

Khalid Hattar, membre de l'équipe, modifie et améliore ce microscope depuis plus d'une décennie, actuellement hébergé dans le laboratoire Ion Beam de Sandia. Cet instrument unique en son genre peut exposer les matériaux à toutes sortes d'éléments, y compris la chaleur, le froid cryogénique, les contraintes mécaniques et une gamme d'environnements contrôlés de rayonnement, chimiques et électriques. Il permet aux scientifiques d'observer la dégradation se produire au microscope, en temps réel. L'équipe de Sandia a combiné ces observations dynamiques avec une microscopie à grossissement encore plus élevé leur permettant de voir la structure atomique des joints entre les grains et de déterminer comment l'irradiation l'a modifiée.

Mais un tel travail médico-légal est semé d'embûches.

"Je veux dire, ce sont des problèmes extrêmement difficiles", a déclaré Doug Medlin, un autre membre de l'équipe Sandia. Brad a demandé l'aide de Doug pour le projet en raison de sa grande expertise dans l'analyse des joints de grains. Doug étudie des problèmes similaires depuis les années 1990.

"Nous partons d'un spécimen d'environ trois millimètres de diamètre lorsqu'ils le collent au microscope électronique", a déclaré Doug. "Et puis nous zoomons sur des dimensions qui ne font que quelques atomes de large. Et donc, il y a juste cet aspect pratique de :comment allez-vous trouver des choses avant et après l'expérience ? Et puis, comment donnez-vous un sens à ces arrangements atomistiques d'une manière significative ?"

En combinant des images à l'échelle atomique avec des vidéos à l'échelle nanométrique recueillies au cours de l'expérience, l'équipe a découvert que l'irradiation du platine provoque le déplacement des frontières entre les grains.

Les simulations informatiques aident à expliquer la cause et l'effet

Après l'expérience, leur prochain défi consistait à traduire ce qu'ils voyaient dans les images et la vidéo en modèles mathématiques. This is difficult when some atoms might be dislocated because of physical collisions, while others might be moving around because of localized heating. To separate the effects, experimentalists turn to theoreticians like Rémi.

"Simulating radiation damage at the atomic scale is very (computationally) expensive," Rémi said. 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." + Explorer plus loin

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