Các nhà khoa học tin rằng chìa khóa để ngăn chặn những sự cố thảm khốc, quy mô lớn ở các công trình giao thông, công nghiệp, máy bay hay các nhà máy điện là đánh giá chính xác những hư hỏng xuất hiện ngay ở cấp độ nguyên tử và cấp độ nano. Vật chất hiện nay hầu hết đều không ổn định. Nhưng cách từng nguyên tử bắt đầu hư hại phần lớn vẫn là một bí ẩn, đặc biệt là trong những môi trường phức tạp, khắc nghiệt như không gian vũ trụ, lò phản ứng nhiệt hạch hoặc nhà máy điện hạt nhân. Một nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí Science Advances về tác động gây mất ổn định của bức xạ. Mặc dù các phát hiện này mô tả cách thức kim loại bị suy yếu từ góc độ cơ bản, nhưng có thể giúp các kỹ sư dự đoán phản ứng của vật liệu trước các loại hư hỏng khác nhau và cải thiện độ tin cậy của vật liệu trong môi trường bức xạ cao.
Vào thời điểm một nhà máy điện hạt nhân đến tuổi giới hạn vận hành, các đường ống, dây cáp và hệ thống ngăn chặn bên trong lò phản ứng có thể trở nên giòn và yếu đến mức nguy hiểm. Hàng thập kỷ tiếp xúc với nhiệt độ, tác động vật lý, rung động và bức xạ liên tục phá vỡ vật liệu nhanh hơn bình thường. Các công trình kiên cố trước đây trở nên không đáng tin cậy và không an toàn, chỉ thích hợp cho việc khử nhiễm và thải bỏ. Nếu chúng ta có thể hiểu được các cơ chế này và đảm bảo rằng các vật liệu trong tương lai về cơ bản được điều chỉnh để giảm thiểu khả năng hư hại thì có thể thu được nhiều dạng vật liệu có tuổi thọ cao hơn từ các vật liệu mà chúng ta đang có.
GB và môi trường xung quanh. (A) Ánh xạ hướng tinh thể tự động hiển thị hướng hạt trong vùng lân cận của khu vực bị bức xạ tác động. Ranh giới ngăn cách hai hạt được chỉ định, dán nhãn là A và B, ở giữa hình ảnh (B) và kết thúc tại điểm nối [gắn nhãn TJ trong (C)]. Ranh giới được tạo mặt trên các giao diện Σ3 {112} giao nhau ở góc 120°. (D) Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét trường tối hình khuyên góc cao cho thấy cấu trúc ở độ phân giải nguyên tử. (E) Mô hình nguyên tử [phương pháp nguyên tử nhúng (EAM)] cho cấu trúc mặt và điểm nối. Phân tích biến đổi Fourier nhanh của các hình ảnh có độ phân giải nguyên tử [hình nhỏ trong (D)] cho thấy các hạt được quay 3,2° so với hướng Σ3 (Nguồn: Tạp chí Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn0900).
Kim loại và gốm sứ được tạo thành từ các tinh thể cực nhỏ, còn được gọi là hạt. Các tinh thể càng nhỏ thì vật liệu càng có xu hướng mạnh hơn. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng có thể tăng cường độ cứng cho kim loại bằng cách chế tạo các tinh thể có kích thước nano cực kỳ nhỏ. Chúng ta có thể lấy đồng nguyên chất và bằng cách xử lý sao cho các hạt có kích thước nano, nó có thể trở nên cứng như thép. Nhưng bức xạ phá vỡ và làm thay đổi vĩnh viễn cấu trúc tinh thể của hạt, làm kim loại yếu đi. Một hạt bức xạ đơn lẻ tấn công một tinh thể kim loại giống như một quả bi làm vỡ một bộ bi-a. Bức xạ chỉ có thể tấn công trực diện vào một nguyên tử, nhưng nguyên tử đó sau đó bật ra khỏi vị trí và va chạm với những nguyên tử khác trong hiệu ứng hỗn loạn domino. Không giống như bi cái, các hạt bức xạ chứa nhiều nhiệt và năng lượng đến mức chúng có thể làm tan chảy ngay điểm chúng chạm vào, điều này cũng làm suy yếu kim loại. Và trong môi trường bức xạ cao, các công trình phải chịu tác động liên tục của những hạt bức xạ này.
Nhóm Sandia muốn làm chậm lại hoặc thậm chí dừng lại những thay đổi ở quy mô nguyên tử đối với kim loại mà bức xạ gây ra. Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu làm việc giống như các nhà điều tra pháp y tái tạo hiện trường vụ án. Nghiên cứu của họ mô tả chi tiết thí nghiệm trong đó họ sử dụng kính hiển vi điện tử công suất cao, được tùy chỉnh để xem thiệt hại trong các hạt kim loại bạch kim. Thành viên nhóm Khalid Hattar đã sửa đổi và nâng cấp chiếc kính hiển vi này trong hơn một thập kỷ, hiện được đặt trong Phòng thí nghiệm Tia ion của Sandia. Thiết bị có một không hai này có thể cho vật liệu tiếp xúc với tất cả các loại yếu tố, bao gồm nhiệt, lạnh, biến dạng cơ học và một loạt các môi trường bức xạ, hóa học và điện được kiểm soát. Nó cho phép các nhà khoa học theo dõi quá trình phân hủy xảy ra dưới kính hiển vi trong thời gian thực. Nhóm Sandia đã kết hợp những quan sát động này với kính hiển vi có độ phóng đại cao hơn nữa cho phép họ nhìn thấy cấu trúc nguyên tử của ranh giới giữa các hạt và xác định xem bức xạ đã thay đổi nó như thế nào.
Doug Medlin, một thành viên khác của nhóm Sandia cho biết: “Đây là những vấn đề cực kỳ khó khăn. Brad đã nhờ Doug giúp đỡ trong dự án vì anh ấy có chuyên môn sâu trong việc phân tích ranh giới hạt. Doug đã nghiên cứu những vấn đề tương tự từ những năm 1990. “Chúng tôi đang bắt đầu từ một mẫu vật có đường kính có thể là 3 mm khi họ đưa vào kính hiển vi điện tử”. “Và sau đó chúng tôi phóng to các chiều chỉ bằng vài nguyên tử. Và vì vậy, chỉ có khía cạnh thực tế đó là: Làm thế nào để tìm thấy những thứ trước và sau thí nghiệm? Và sau đó, hiểu ý nghĩa của nó như thế nào.” Bằng cách kết hợp các hình ảnh ở quy mô nguyên tử với video ở quy mô nano được thu thập trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc chiếu xạ bạch kim khiến ranh giới giữa các hạt dịch chuyển.
Sự phát triển của Σ3 GB trong quá trình chiếu xạ ion TEM tại chỗ. (A) Chiếu xạ trước, (B) 0,3 dpa và (C) 1 dpa. Các khung hình tĩnh được chụp từ TEM tại chỗ. Phim S1 (0,369 đến 0,459 dpa) minh họa sự tương tác cục bộ giữa các khuyết tật do chiếu xạ gây ra (bên ngoài GB) và bề mặt Σ3 {112} GB (Nguồn: Tạp chí Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn0900)
Sau thí nghiệm, thử thách tiếp theo là chuyển những gì nhìn thấy trong hình ảnh và video thành các mô hình toán học. Điều này khó thực hiện khi một số nguyên tử có thể bị lệch do va chạm vật lý, trong khi những nguyên tử khác có thể chuyển động xung quanh do sự nóng lên cục bộ. Để tách biệt các hiệu ứng, các nhà thực nghiệm tìm đến nhà lý thuyết Rémi. Rémi cho biết: “Việc mô phỏng thiệt hại do bức xạ ở quy mô nguyên tử rất tốn kém (về mặt tính toán). Bởi vì có rất nhiều nguyên tử chuyển động nên cần rất nhiều thời gian và sức mạnh xử lý trên các máy tính hiệu suất cao để mô hình hóa thiệt hại. Ông cho biết Sandia có khả năng lập mô hình và kiến thức chuyên môn tốt nhất trên thế giới. Các nhà nghiên cứu thường đo lượng bức xạ gây thiệt hại cho vật liệu theo đơn vị gọi là chuyển vị trên mỗi nguyên tử, hay gọi tắt là dpa. Các mô hình máy tính thông thường có thể mô phỏng mức thiệt hại lên tới khoảng 0,5 dpa.
Các mô hình Sandia có thể mô phỏng gấp 10 lần, khoảng 5 dpa. Trên thực tế, sự kết hợp giữa chuyên môn nội bộ về kính hiển vi nguyên tử, khả năng tái tạo môi trường bức xạ cực cao và lĩnh vực mô hình máy tính chuyên biệt này khiến Sandia trở thành một trong số ít nơi trên thế giới có thể thực hiện nghiên cứu này. Nhưng ngay cả phần mềm cao cấp của Sandia cũng chỉ có thể mô phỏng mức độ thiệt hại do phóng xạ trong vài giây. Để hiểu rõ hơn về các quy trình cơ bản sẽ yêu cầu phần cứng và phần mềm có thể mô phỏng trong khoảng thời gian dài hơn. Con người đã chế tạo và phá vỡ kim loại trong nhiều thế kỷ, vì vậy những lỗ hổng kiến thức còn lại rất phức tạp, đòi hỏi các đội chuyên gia phải dành nhiều năm để mài giũa kỹ năng và hoàn thiện lý thuyết của họ.
Từ khóa: bức xạ; vật liệu; chiếu xạ
– CMD&DND –
