Les céramiques d'oxyde nanocomposites ont des utilisations potentielles comme ferroélectriques, conducteurs d'ions rapides, et combustibles nucléaires et pour le stockage des déchets nucléaires, suscitant un grand intérêt scientifique sur la structure, Propriétés, et les applications de ces matériaux mélangés.

« Les interfaces séparant les différentes régions cristallines déterminent le transport, électrique, et les propriétés de rayonnement du matériau dans son ensemble, " a déclaré Pratik Dholabhai, chercheur principal du Laboratoire national de Los Alamos sur le projet. "C'est dans la composition chimique de ces interfaces que nous pouvons améliorer des fonctionnalités telles que la tolérance aux dommages causés par les rayonnements et la conduction ionique rapide."

Un composite est un matériau contenant des grains, ou en morceaux, de plusieurs matériaux différents. Dans un nanocomposite, la taille de chacun de ces grains est de l'ordre du nanomètre, environ 1000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Dans le cadre de l'énergie nucléaire, des composites ont été proposés pour le carburant lui-même, comme moyen par exemple, améliorer les propriétés de base du matériau, comme la conductivité thermique. C'est la conductivité thermique qui dicte l'efficacité avec laquelle l'énergie peut être extraite du carburant. Des composites ont également été créés pour stocker les sous-produits du cycle de l'énergie nucléaire, déchets nucléaires, où les différents composants du composite peuvent stocker chacun une partie différente des déchets.

Cependant, les composites ont des applications beaucoup plus larges. Les interfaces fournissent des régions aux propriétés électroniques et ioniques uniques et ont été étudiées pour améliorer la conductivité pour les applications liées aux batteries et aux piles à combustible.

Mystères des luxations inadaptées

En utilisant des simulations qui tiennent compte explicitement de la position de chaque atome dans le matériau, l'équipe de recherche de Los Alamos a examiné l'interface entre SrTiO3 et MgO, démontrer, pour la première fois, une forte dépendance de la structure de dislocation aux hétérointerfaces d'oxyde sur la chimie de terminaison. SrTiO3 peut être considéré comme un gâteau en couches, avec des plans alternés de SrO et TiO2. Ainsi, en principe, lors de l'appariement du SrTiO3 avec un autre matériau, il y a un choix quant à quelle couche est en contact avec l'autre matériau. Les simulations révèlent que les interfaces à terminaison SrO et TiO2 présentent des structures atomiques remarquablement différentes. Ces structures, caractérisé par des dislocations dites inadaptées qui se forment lorsque les deux matériaux ne correspondent pas exactement en taille, dicter les propriétés fonctionnelles de l'interface, comme la conductivité.

La relation observée entre la chimie de terminaison et la structure de dislocation de l'interface offre des pistes potentielles pour adapter les propriétés de transport et la résistance aux dommages par rayonnement des nanocomposites d'oxyde en contrôlant la chimie de terminaison à l'interface. Cela pourrait conduire à de nouveaux matériaux fonctionnels dans un certain nombre de domaines technologiques. "Nous pensons que cette découverte, que la structure de l'interface est sensible à la chimie de l'interface, ouvrira la porte à de nouvelles directions de recherche dans les nanocomposites d'oxydes, " dit Blas Uberuaga, chercheur principal sur l'effort.