L'auto-cicatrisation peut prolonger la durée de vie des matériaux céramiques sujets aux dommages causés par l'irradiation. Les processus d'irradiation provoquent un désordre dans la structure atomique ordonnée de la céramique (cercles rouges et bleus à gauche) (à droite). Les scientifiques ont utilisé deux techniques de simulation informatique pour comprendre la migration atomique ultérieure, ou diffusion :dynamique moléculaire standard (données bleues dans le graphique) et accélérée (carrés rouges et cercle noir). Les simulations ont révélé un cycle d'auto-guérison. Au fur et à mesure que le trouble s'aggravait, le taux de diffusion (axe vertical) est resté le même jusqu'à ce qu'une valeur seuil (flèche verte) soit atteinte. Après le seuil, un réseau de percolation se forme et la diffusion augmente fortement. Cette diffusion plus rapide a conduit à une reprise de commande plus rapide, provoquant l'auto-guérison du matériau. Crédit :Département américain de l'énergie
Les scientifiques ont découvert un cycle d'auto-guérison pour les défauts de la céramique prédit par des simulations avancées au niveau atomique. L'irradiation crée des défauts et désorganise la structure atomique ordonnée. Les simulations ont montré que la création d'un seuil de désordre a provoqué le déplacement plus rapide des atomes déplacés. Cela a accéléré l'annihilation des défauts et guéri la structure.
La façon dont les atomes se déplacent dans les oxydes céramiques complexes est fortement liée à la structure locale. Des dommages à la structure atomique se produisent lorsqu'ils sont exposés à une irradiation ou chauffés. Comment les défauts influencent le mouvement des atomes au fil du temps est essentiel pour comprendre comment les propriétés des matériaux changent, et comment "réparer" les dégâts. Ces phénomènes sous-tendent les propriétés et les durées de vie des matériaux pour la résistance aux rayonnements dans la production d'énergie et le confinement des déchets radioactifs.
La diffusion dans des oxydes céramiques complexes est essentielle au transport des atomes constitutifs et à l'évolution de la structure atomique due aux dommages causés par le rayonnement, frittage, et le vieillissement. Dans ces matériaux, les atomes individuels portent une charge qui lie les structures ensemble; les ions chargés négativement et positivement sont appelés anions et cations, respectivement. Dans les oxydes complexes qui contiennent plus d'un type de cations tels que les pyrochlores, la migration des ions à travers la structure atomique, ou diffusé, et la conductivité sont considérablement affectées par le désordre, ou la façon dont les cations sont disposés dans le cristal. En particulier, la diffusion et la conductivité sont particulièrement sensibles au désordre des cations. De façon intéressante, ce désordre cationique est également au cœur de la capacité du matériau à conserver sa cristallinité lors de l'irradiation. C'est pourquoi les pyrochlores sont considérés comme des candidats pour encapsuler les déchets nucléaires. Le désordre favorise à la fois la conductivité et la résistance aux radiations. Cependant, on sait peu de choses sur la façon dont le désordre influence le transport des cations.
Dans cette étude, les scientifiques ont étudié la diffusion des cations médiée par des défauts dans l'oxyde de titane gadolinium pyrochlore (Gd2Ti2O7). Les défauts étaient des atomes manquants dans la structure atomique appelés lacunes. Les scientifiques ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire standard et accélérées pour suivre les mouvements atomiques et mieux comprendre la diffusion. Ces simulations se déroulent sur une microseconde (un millionième de seconde). En comparaison, des simulations atomiques typiques sont exécutées pour étudier des nanosecondes (milliards de seconde) de mouvements atomiques en raison des énormes coûts de calcul liés à l'exécution de simulations plus longues. Mais avec de nouvelles techniques de calcul pour simplifier la dynamique des atomes, les scientifiques ont accéléré les calculs et allongé les temps possibles qui peuvent être étudiés par ces simulations.
Ils ont constaté que la diffusion des cations est lente à de faibles niveaux de désordre. Une fois que le niveau de désordre dépasse une valeur seuil, la diffusion des cations est plus rapide. La clé de ce résultat était « les défauts anti-site ». C'est là qu'un cation (gallium, dans ce cas) occupe une position où l'autre cation (titane, dans ce cas) est censé l'être. A un seuil critique, les défauts anti-sites sont essentiellement "touchants" et créent ce qu'on appelle un réseau de percolation. Ce réseau permet aux cations de se déplacer rapidement à travers le réseau. Lorsque les défauts anti-sites sont annihilés, la structure peut se réorganiser, permettant essentiellement à la structure de se guérir d'elle-même. Cette guérison, à son tour, ralentit la diffusion des cations. La diffusivité des cations augmentait à mesure que le matériau devenait plus désordonné à cause de l'irradiation et diminuait à mesure que le matériau se réorganisait. Ce cycle d'auto-guérison est différent des observations dans d'autres oxydes complexes et modèles désordonnés. Cette recherche suggère une relation fondamentalement différente entre le désordre et le transport de masse. Ces informations pourraient améliorer la durée de vie des céramiques complexes utilisées dans des applications impliquant des environnements extrêmes tels que l'irradiation.
