Jak se mění vlastnosti materiálů, které jsou vystaveny radioaktivnímu záření? Tuto otázku si nedávno položili američtí fyzici a na základě provedených experimentů zjistili, že ozářený materiál má atomovou strukturu, která se více podobá kapalině, a nikoli sklu, jak se dosud předpokládalo.
V pevných látkách, které jsou vystaveny radioaktivnímu záření, dochází k porušení atomární struktury. Vzniklé neuspořádání může ovlivnit základní vlastnosti materiálů, jako je hustota, tuhost, pevnost nebo tvrdost. Zasažené materiály jsou ve výsledku méně odolné a pevné, což má negativní vliv na jejich funkčnost. Proto je tak důležité porozumět tomu, jaký vliv na ně ozáření má. Výsledky nových výzkumů jsou relevantní zejména pro odvětví stavebnictví a mohly by pomoci najít nové materiály odolné radiaci.
Vlastnosti ozářených materiálů vědci dosud předpovídali podle vlastností skel. Neuspořádaná atomová mříž vzniklá ozařováním totiž připomíná neuspořádané stavy ve sklovitých materiálech. Skla se tvoří, když se kapalný materiál prudce zchladí nebo zakalí, a tedy proběhne proces zeskelnění. Atomy nestačí vytvořit pravidelnou krystalickou mříž a uvíznou v nekrystalickém stavu.
Mezi ozářenými a sklovitými materiály však byly zjištěny určité rozdíly a vznikla otázka, jestli ozáření a zeskelnění má na strukturu materiálu stejný vliv. Fyzici z University of California a z Oak Ridge National Laboratory proto teď ve svých experimentech použili reaktivní molekulárně-dynamické simulace a pomocí nich vzájemně porovnali atomární struktury dvou forem oxidu křemičitého – ozářeného křemene a skelného křemene vzniklého rychlým zchlazením.
Zkoumání vlivu ozáření na křemen je velmi důležité. Křemen je jedním z nejrozšířenějších minerálů na Zemi a zároveň také hlavní složkou mnoha písků používaných ve stavebnictví. Je mimo jiné součástí stavebního materiálu pro jaderná zařízení nebo úložiště jaderných odpadů.
Po provedení simulací obou procesů, tedy ozáření a rychlém zchlazení křemene, byly mezi atomovými strukturami obou výsledných materiálů nalezeny podstatné rozdíly. Vědci zjistili, že stupeň neuspořádanosti je u materiálů zcela jiný. Ozářený materiál měl větší stupeň neuspořádanosti než sklo a jeho atomová struktura byla bližší kapalině. Jde o zdánlivě protismyslný výsledek. Jelikož radiace způsobuje neuspořádanost atomové struktury, nabízí se předpoklad, že po ozáření se bude krystal přibližovat ke skelnému stavu. Jenže porovnáním ozářeného a prudce zchlazeného křemene se ukázalo, že tento předpoklad neplatí.
Rychlé zchlazení vs. ozáření křemene (N. M. Anoop Krishnan, Jonathan Berjikian)
Členové týmu pozorovali, že ozářený křemen vykazuje větší
neuspořádanost než skelný křemen po prudkém zchlazení, a to jak v malé,
tak ve střední vzdálenosti atomů. Zajímavé je zjištění, že struktura a termodynamické vlastnosti ozářeného křemene jsou stejné jako u kapaliny
vzniklé roztavením křemene. Z výsledků vyplývá, že struktura
ozářeného křemene vykazuje koordinační defekty nebo velké silikátové
prstence. Nic z toho nebylo nalezeno ve skelném křemeni, který vznikl
rychlým zchlazením.
Podle členů týmu má jejich zjištění, tedy že ozářené materiály mají strukturu podobnou jako kapaliny, podstatné důsledky. Z hlediska základní fyziky vysvětluje, proč se strukturální poškození s prodlužovanou radiací zpomaluje, místo aby kontinuálně rostlo. Jakmile materiál dosáhne struktury kapaliny, pro atomy je snazší se pohybovat a reorganizovat, a to zabraňuje dalšímu poškozování. Výsledky také napovídají, že struktura a vlastnosti ozářeného materiálu se dají předpovědět z odpovídající kapaliny. Tyto výsledky by měly mimo jiné pomoci najít nové materiály odolné radiaci.
Materiál byl uveřejněn v The Journal of Chemical Physics.
Mohlo by vás zajímat:
Kamera s grafenem a kvantovými tečkami
Nové
zařízení pro detekování miniaturních sil
Vědci
vyvinuli nový způsob, jak sledovat objekty zahalené v mlze
Slapové
síly a kvantová mechanika