原子规模的研究可以帮助工程师预测材料对损害的反应

灰色和白色的斑点在计算机屏幕上不稳定地滑动器。高耸的显微镜在电子和光学设备的景观上隐约可见。2020欧洲杯下注官网在显微镜内,高能量,加速离子轰炸了比蚊子背上的头发更薄的铂金薄片。同时,一群科学家研究了看似混乱的展示,寻找线索来解释在极端环境中材料如何以及为什么降级的原因。欧洲杯足球竞彩

这些科学家在桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)认为,预防桥梁,飞机和发电厂的大规模,灾难性失败的关键是 - ;很接近的 -;在损害时首先出现在原子和纳米级水平上。

作为人类,我们看到周围的物理空间,我们想象一切都是永久的,“桑迪亚材料科学家欧洲杯足球竞彩布拉德·博伊斯(Brad Boyce)说。”我们看到桌子,椅子,灯,灯,我们想象它总是会在那里,而且稳定。但是,我们也有这种人类的经验,即我们周围的事情可能意外地破裂。这就是这些事情根本不稳定的证据。现实是我们周围的许多材料不稳定。”欧洲杯足球竞彩

但是关于原子如何开始原子原子的基础真相在很大程度上是一个谜,尤其是在复杂的极端环境中,例如空间,融合反应堆或核电站。答案被复杂,相互联系的过程所掩盖,这些过程需要专门的专业知识来解决。

该小组最近发表在《学术杂志科学进步研究结果》上,有关辐射的不稳定影响。欧洲杯线上买球尽管研究结果描述了金属如何从基本角度降解,但结果可能有可能帮助工程师预测材料对不同种类损害的反应,并提高强烈的辐射环境中材料的可靠性。欧洲杯足球竞彩

例如,当核电站达到反应堆内部的退休年龄,管道,电缆和围护系统时,危险易碎且虚弱。几十年来,暴露于热量,应力,振动和恒定的辐射弹幕比正常情况更快地分解材料。欧洲杯足球竞彩以前的坚固结构变得不可靠和不安全,仅适合净化和处置。

“如果我们能够理解这些机制,并确保将来的材料基本上是为了最大程度地减少这些退化途径,那么也许我们可以从我们依赖的材料中获得更多的生欧洲杯足球竞彩命,或者至少在他们前进时更好地预期失败,以便我们可以做出相应的回应,”博伊斯说。

这项研究的部分是在纳米技术集成中心进行的,科学用户设施办公室由Sandia和Los Alamos National Laboratories为能源部运营。欧洲杯线上买球它是由DOE的基本能源科学计划资助的。欧洲杯线上买球

原子规模的研究可以保护金属免受损害

金属和陶瓷由微观晶体组成,也称为晶粒。晶体越小,较强的材料往往是。欧洲杯足球竞彩科学家已经表明,可以通过工程化非常小的纳米晶体来增强金属。

您可以采用纯铜,并加工它,使谷物被纳米化,它可以变得像某些钢一样强壮,博伊斯说。

但是辐射粉碎并永久改变晶粒的晶体结构,减弱金属。该团队的计算机模拟和理论专家RémiDingreville说,单个辐射粒子像提示球一样击中金属晶体,打破了一套整齐的台球球。辐射可能只会打开一个原子,但是该原子随后弹出,并在混乱的多米诺骨牌中与其他原子碰撞。

Dingreville说,与提示球不同,辐射颗粒会包装如此多的热量和能量,以至于它们可以瞬间融化欧洲杯猜球平台击中的位置,从而削弱了金属。在重辐射环境中,结构生活在这些颗粒的无休止的冰雹中。欧洲杯猜球平台

桑迪亚团队想放慢脚步 - ;甚至停止 - ;原子尺度会改变辐射引起的金属。为此,研究人员的工作就像法医调查人员复制犯罪现场以理解真实的现场。他们的科学推欧洲杯线上买球进论文详细介绍了一个实验,其中他们使用了高功率,高度定制的电子显微镜来查看铂金属晶粒的损坏。

团队成员哈立德·哈塔尔(Khalid Hattar)已经修改和升级该显微镜已有十多年了,目前位于桑迪亚的离子束实验室中。这种独一无二的仪器可以将材料暴露于各种元素 - ;欧洲杯足球竞彩包括热,低温冷,机械应变以及一系列受控辐射,化学和电气环境。它使科学家可以实时观察降解。桑迪亚团队将这些动态观察结果与更高的放大显微镜结合在一起,使他们可以看到晶粒之间边界的原子结构,并确定辐射如何改变了它。

但是,这种取证工作充满了挑战。

“我的意思是,这些是极其困难的问题,”桑迪亚团队的另一位成员道格·梅德林(Doug Medlin)说。博伊斯(Boyce)在分析谷物边界方面具有深厚的专业知识,因此要求梅德林(Medlin)在该项目上提供帮助。自1990年代以来,Medlin一直在研究类似的问题。

我们从一个标本开始,该标本将其粘在电子显微镜中时可能是三毫米的直径,”梅德林说。”然后,我们要缩小到仅几个原子宽的尺寸。因此,有一个实用的方面:您如何去实验之前和之后找到事物 - 然后,您如何以有意义的方式理解这些原子安排 - ”

通过将原子尺度图像与实验期间收集的纳米级视频相结合,团队发现辐照铂会导致谷物之间的边界移动。

计算机模拟有助于解释因果

实验之后,他们的下一个挑战是将图像和视频中看到的内容转化为数学模型。当某些原子可能因身体冲突而脱臼时,这很困难,而另一些原子可能由于局部加热而四处移动。为了区分效果,实验者转向了像丁格维尔这样的理论家。

“在原子量表上模拟辐射损伤非常(计算)昂贵,”丁格维尔说。由于原子有太多运动,因此在高性能计算机上需要大量时间和处理能力来建模损坏。

他说,桑迪亚拥有一些世界上最好的建模能力和专业知识。研究人员通常以每个原子为位移的单位或简称DPA的单位来测量损伤辐射的量。典型的计算机型号可以模拟多达0.5 dpa的损坏。Sandia型号最多可模拟10倍,约为5 dpa。

丁格维尔说,实际上,原子显微镜的内部专业知识,重现极端辐射环境的能力以及这种专业的计算机建模的能力使桑迪亚成为世界上少数几个可以进行这项研究的地方之一。

但是,即使Sandia的高端软件也只能模拟几秒钟的辐射损失。对基本流程的更好理解将需要硬件和软件,以模拟时间更长的时间。博伊斯说,人类一直在制造和破坏金属,因此剩余的知识差距很复杂,需要花费数年的时间来磨练自己的技能并完善理论的专家团队。梅德林说,这项研究的长期性质是吸引他进入这个工作领域已有近30年的一件事。

“我想这就是驱动我的原因。”他说。“弄清楚这就是痒,需要很长时间才能弄清楚它。”

桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)是由霍尼韦尔国际公司(Honeywell International Inc.)全资子公司Sandia LLC的国家技术和工程解决方案运营的多和工程解决方案。桑迪亚实验室(Sandia Labs)在核威慑,全球安全,国防,能源技术和经济竞争力方面负有重大的研发责任,并在新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚州利弗莫尔拥有主要设施。

来源:https://www.sandia.gov/

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