(Phys.org)—Afin de construire la prochaine génération de réacteurs nucléaires, les scientifiques des matériaux tentent de percer les secrets de certains matériaux tolérants aux dommages causés par les radiations. Aujourd'hui, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont apporté une nouvelle compréhension à l'un de ces secrets :comment les interfaces entre deux métaux soigneusement sélectionnés peuvent absorber, ou guérir, dommages causés par les radiations.

« Quand il s'agit de sélectionner des matériaux de structure appropriés pour les réacteurs nucléaires avancés, il est crucial que nous comprenions les dommages causés par les rayonnements et leurs effets sur les propriétés des matériaux. Et nous devons étudier ces effets sur des caractéristiques isolées à petite échelle, " dit Julia R. Greer, professeur adjoint de science des matériaux et de mécanique à Caltech. Dans cet esprit, Greer et ses collègues de Caltech, Laboratoires nationaux Sandia, UC Berkeley, et le Laboratoire national de Los Alamos ont examiné de plus près les dommages induits par les radiations, zoomer jusqu'à l'échelle nanométrique, où les longueurs sont mesurées en milliardièmes de mètres. Leurs résultats sont publiés en ligne dans les revues Matériaux fonctionnels avancés et Petit .

Lors d'une irradiation nucléaire, les particules énergétiques comme les neutrons et les ions déplacent les atomes de leurs sites de réseau réguliers dans les métaux qui composent un réacteur, déclenchant des cascades de collisions qui finissent par endommager des matériaux tels que l'acier. L'un des sous-produits de ce processus est la formation de bulles d'hélium. Puisque l'hélium ne se dissout pas dans les matériaux solides, il forme des bulles de gaz sous pression qui peuvent fusionner, rendre le matériau poreux, fragile, et donc susceptible de se casser.

Certains matériaux nanotechnologiques sont capables de résister à de tels dommages et peuvent, par exemple, empêcher les bulles d'hélium de fusionner dans des vides plus grands. Par exemple, certains nanostratifiés métalliques - des matériaux constitués de couches alternées extrêmement minces de différents métaux - sont capables d'absorber divers types de défauts radio-induits aux interfaces entre les couches en raison de la non-concordance qui existe entre leurs structures cristallines.

"Les gens ont une idée, à partir de calculs, de ce que les interfaces dans leur ensemble peuvent faire, et ils savent par des expériences quel est leur effet global combiné. Ce qu'ils ne savent pas, c'est ce que fait exactement une interface individuelle et quel rôle spécifique jouent les dimensions nanométriques, " dit Greer. " Et c'est ce que nous avons pu enquêter. "

Peri Landau et Guo Qiang, les deux chercheurs postdoctoraux dans le laboratoire de Greer au moment de cette étude, a utilisé une procédure chimique appelée galvanoplastie pour faire croître des piliers miniatures de cuivre pur ou des piliers contenant exactement une interface, dans laquelle un cristal de fer repose sur un cristal de cuivre. Puis, travailler avec des partenaires à Sandia et Los Alamos, afin de reproduire l'effet de l'irradiation à l'hélium, ils ont implanté ces nanopiliers avec des ions d'hélium, à la fois directement à l'interface et, dans des expériences séparées, dans tout le pilier.

Les chercheurs ont ensuite utilisé un instrument de test nanomécanique unique en son genre, appelé le SEmentor, qui est situé dans le sous-sol du bâtiment W. M. Keck Engineering Laboratories à Caltech, à la fois comprimer les minuscules piliers et tirer sur eux pour en savoir plus sur les propriétés mécaniques des piliers - comment leur longueur changeait lorsqu'une certaine contrainte était appliquée, et où ils se sont cassés, par exemple.

"Ces expériences sont très, très délicat, " dit Landau. " Si vous y réfléchissez, chacun des piliers, qui ne mesurent que 100 nanomètres de large et environ 700 nanomètres de long, est mille fois plus fin qu'une seule mèche de cheveux. Nous ne pouvons les voir qu'avec des microscopes à haute résolution."

L'équipe a découvert qu'une fois qu'elle avait inséré une petite quantité d'hélium dans un pilier à l'interface entre les cristaux de fer et de cuivre, la résistance du pilier a augmenté de plus de 60 pour cent par rapport à un pilier sans hélium. On s'y attendait beaucoup, Landau explique, car "le durcissement par irradiation est un phénomène bien connu dans les matériaux en vrac". Cependant, elle note, un tel durcissement est généralement lié à la fragilisation, "et nous ne voulons pas que les matériaux soient cassants."

Étonnamment, les chercheurs ont découvert que dans leurs nanopiliers, l'augmentation de la force ne s'est pas accompagnée d'une fragilisation, soit lorsque l'hélium a été implanté à l'interface, ou lorsqu'il a été diffusé plus largement. En effet, Greer et son équipe ont trouvé, le matériau a pu conserver sa ductilité car l'interface elle-même était capable de se déformer progressivement sous contrainte.

Cela signifie que dans un matériau nanolaminé métallique, de petites bulles d'hélium sont capables de migrer vers une interface, qui n'est jamais à plus de quelques dizaines de nanomètres, essentiellement la guérison du matériau. "Ce que nous montrons, c'est que peu importe que la bulle soit dans l'interface ou uniformément répartie - les piliers ne tombent jamais en panne dans une situation catastrophique, mode abrupte, " dit Greer. Elle note que les bulles d'hélium implantées - qui sont décrites dans l'article Advanced Functional Materials - avaient un diamètre de un à deux nanomètres. le groupe répétera l'expérience avec des bulles plus grosses à des températures plus élevées afin de représenter des conditions supplémentaires liées aux dommages causés par les radiations.

Dans le Petit papier, les chercheurs ont montré que même des nanopiliers entièrement en cuivre, sans superposition de métaux, présentait un durcissement induit par l'irradiation. Cela contraste fortement avec les résultats des travaux antérieurs d'autres chercheurs sur les nanopiliers de cuivre irradiés par des protons, qui présentaient les mêmes résistances que celles qui n'avaient pas été irradiées. Greer dit que cela souligne la nécessité d'évaluer différents types de défauts induits par l'irradiation à l'échelle nanométrique, car ils peuvent ne pas tous avoir les mêmes effets sur les matériaux.

Alors que personne n'est susceptible de construire de sitôt des réacteurs nucléaires à partir de nanopiliers, Greer soutient qu'il est important de comprendre comment se comportent les interfaces individuelles et les nanostructures. "Ce travail nous apprend essentiellement ce qui donne aux matériaux la capacité de guérir les dommages causés par les radiations - quelles tolérances ils ont et comment les concevoir, " dit-elle. Ces informations peuvent être incorporées dans de futurs modèles de comportement des matériaux qui peuvent aider à la conception de nouveaux matériaux.