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Tudo começou com um mistério: como o sal derretido quebrou seu recipiente de metal? Compreender o comportamento do sal fundido, um refrigerante proposto para a próxima geração de reatores nucleares e energia de fusão, é uma questão de segurança crítica para a produção de energia avançada. A equipe de pesquisa multi-institucional, co-liderada pela Penn State, inicialmente imaginou uma seção transversal do recipiente lacrado, não encontrando nenhum caminho claro para o sal que aparece do lado de fora. Os pesquisadores então usaram a tomografia eletrônica, uma técnica de imagem 3D, para revelar a menor das passagens conectadas que ligam os dois lados do recipiente sólido. Essa descoberta apenas levou a mais perguntas para a equipe que investigava o estranho fenômeno.
Eles publicaram as respostas em 22 de fevereiro em Natureza Comunicações.
“A corrosão, um modo de falha onipresente de materiais, é tradicionalmente medida em três dimensões ou duas dimensões, mas essas teorias não foram suficientes para explicar o fenômeno neste caso”, disse o autor co-correspondente Yang Yang, professor assistente de ciência da engenharia e mecânica. e de engenharia nuclear na Penn State. Ele também é afiliado ao Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, bem como ao Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. “Descobrimos que essa corrosão penetrante era tão localizada que existia apenas em uma dimensão – como um buraco de minhoca”.
Os buracos de minhoca na Terra, ao contrário do fenômeno astrofísico hipotético, são normalmente entediados por insetos como vermes e besouros. Eles cavam no chão, madeira ou frutas, deixando um buraco para trás enquanto escavam um labirinto invisível. O verme pode voltar à superfície através de um novo orifício. Da superfície, parece que o verme desaparece em um ponto do espaço e do tempo e reaparece em outro. A tomografia eletrônica pode revelar os túneis ocultos da rota do sal fundido em escala microscópica, cuja morfologia se parece muito com os buracos de minhoca.
Para interrogar como o sal fundido “cava” através do metal, Yang e a equipe desenvolveram novas ferramentas e abordagens de análise. De acordo com Yang, suas descobertas não apenas revelam um novo mecanismo de morfologia da corrosão, mas também apontam para o potencial de projetar intencionalmente tais estruturas para permitir materiais mais avançados.
“A corrosão é muitas vezes acelerada em locais específicos devido a vários defeitos materiais e ambientes locais distintos, mas a detecção, previsão e compreensão da corrosão localizada é extremamente desafiadora”, disse o co-autor Andrew M. Minor, professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade da Califórnia Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory.
A equipe levantou a hipótese de que a formação de buracos de minhoca está ligada à concentração excepcional de lacunas – os locais vazios que resultam da remoção de átomos – no material. Para provar isso, a equipe combinou microscopia eletrônica de transmissão de varredura 4D com cálculos teóricos para identificar as lacunas no material. Juntos, isso permitiu que os pesquisadores mapeassem as lacunas no arranjo atômico do material em escala nanométrica. A resolução resultante é 10.000 vezes maior do que os métodos convencionais de detecção, disse Yang.
“Os materiais não são perfeitos”, disse o co-autor Michael Short, professor associado de ciência nuclear e engenharia no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). “Elas possuem vacâncias, e a concentração de vacâncias aumenta conforme o material é aquecido, irradiado ou, no nosso caso, sofre corrosão. A concentração típica de vacâncias é bem menor do que a causada pelo sal fundido, que se agrega e serve como precursor do buraco de minhoca.”
O sal fundido, que pode ser usado como meio de reação para síntese de materiais, reciclagem de solventes e muito mais, além de um refrigerante de reator nuclear, remove seletivamente átomos do material durante a corrosão, formando buracos de minhoca 1D ao longo de defeitos 2D, chamados limites de grão, no metal. Os pesquisadores descobriram que o sal fundido preenchia os vazios de várias ligas metálicas de maneiras únicas.
“Somente depois de sabermos como o sal se infiltra, podemos controlá-lo ou usá-lo intencionalmente”, disse o co-primeiro autor Weiyue Zhou, associado de pós-doutorado no MIT. “Isso é crucial para a segurança de muitos sistemas avançados de engenharia.”
Agora que os pesquisadores entendem melhor como o sal fundido atravessa metais específicos – e como ele muda dependendo dos tipos de sal e metal – eles disseram que esperam aplicar essa física para prever melhor a falha de materiais e projetar materiais mais resistentes.
“Como próximo passo, queremos entender como esse processo evolui em função do tempo e como podemos capturar o fenômeno com simulação para ajudar a entender os mecanismos”, disse a coautora Mia Jin, professora assistente de engenharia nuclear na Penn State. . “Uma vez que a modelagem e os experimentos podem andar de mãos dadas, pode ser mais eficiente aprender como fazer novos materiais para suprimir esse fenômeno quando indesejado e utilizá-lo de outra forma.”
Outros colaboradores incluem os co-autores Jim Ciston, MC Scott, Sheng Yin, Qin Yu, Robert O. Ritchie e Mark Asta, Lawrence Berkeley National Laboratory; co-autores Mingda Li e Ju Li, MIT; Sarah Y. Wang, Ya-Qian Zhang e Steven E. Zeltmann, Universidade da Califórnia, Berkeley; Matthew J. Olszta e Daniel K. Schreiber, Pacific Northwest National Laboratory; e John R. Scully, Universidade da Virgínia. Minor, Scott, Ritchie e Asta também são afiliados à Universidade da Califórnia, Berkeley.
Este trabalho foi financiado principalmente pelo FUTURE (Fundamental Understanding of Transport Under Reactor Extremes), um Energy Frontier Research Center financiado pelo Departamento de Energia, Office of Science, Basic Energy Sciences.
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