辐照材料的原子结构更类似于液体而不是玻璃

暴露于中子辐射的材料往往会遭受严重破坏，导致固定核废料或核电厂限制所涉及的遏制挑战。在纳米尺度上，这些入射中子与材料的原子碰撞，然后这些原子相互碰撞，有点类似于台球。由此产生的无序原子网络及其物理特性类似于某些玻璃材料中所见，这使得该领域的许多人将其用于核研究。

但根据AIP出版社“化学物理学报”本周报道的新结果，材料之间的相似性可能没有以前想象的那么有用。

玻璃状物质的无序原子网络是由玻璃化，物质通过熔化和(通常)快速后续冷却而转化为玻璃而产生的。在这种冷却或淬火过程中，原子没有时间以有组织的方式沉降，而是形成无序的原子网络。这导致加州大学洛杉矶分校(UCLA)和橡树岭国家实验室的一组研究人员探讨了这样一个问题：辐射和玻璃化对材料的原子结构有相同的影响吗?

为了找到答案，他们探索了石英，这是一种简单而无处不在的自然材料，用于无数的工程应用。

传统实验不允许研究人员直接“看到”原子，特别是在无序材料中。因此，对于他们的研究，该小组依靠使用分子动力学技术的原子模拟。

“分子动力学技术基于数值解决牛顿运动定律的一组相互作用的原子，”加州大学洛杉矶分校土木与环境工程系助理教授马蒂厄·鲍奇说。“所有原子相互施加一个力，可以用来计算每个原子随时间的加速度。”

基于这种技术，他们能够通过顺序地将网络原子与虚构的入射中子碰撞来模拟辐射引起的石英无序化。

“我们还通过加热和快速淬灭原子来模拟石英的玻璃化，”Bauchy说。“最后，我们比较了这两种无序材料的原子结构。”

他们发现了惊人的差异。

“出乎意料的是，我们发现辐射引起的无序性与玻璃化引起的无序性有所不同，”Bauchy说。“这是非常令人惊讶的，因为玻璃和重度照射的材料通常具有相同的密度，因此玻璃通常用作模拟材料辐射暴露效果的模型。”

相比之下，研究人员的结果表明辐照材料比玻璃更无序。“辐照材料的原子结构实际上更接近于液体的原子结构，而不是玻璃的原子结构，”Bauchy说。

该小组的研究结果可能对核应用材料的选择产生严重影响。

“首先，我们认为目前的模型可能低估了辐照材料所表现出的损伤程度，这引起了明显的安全问题，”加州大学洛杉矶分校的博士后研究员NM Anoop Krishnan说。“其次，辐射和玻璃化引起的无序化的不同性质表明，眼镜也会受到辐射的影响。”

这是一个重大发现，因为被认为在辐射下“自愈”的玻璃通常用于通过玻璃化固定核废料。

“这些废物形式一旦存入地质处置库，预计将保持稳定数百万年，因此我们对辐射影响缺乏了解是一个真正的问题，”克里希南说。

接下来，该小组计划探讨辐照对核电厂混凝土和核废料固定化玻璃中常见聚集体的影响。“最终，我们的目标是开发新型模型来预测辐照对材料结构和性质的长期影响，”Bauchy说。